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1×1×1.5mの航空機用大型装置の振動試験を成功させた、機械設計のプロ。

技術系－機械・機構設計

技術部　設計ブロック

工藤　伸介 （29歳）｜ Shinsuke Kudo

入社９年目／沼津工業高等専門学校　機械工学科出身

工場見学をする中で、和気あいあいとした雰囲気にひかれ、入社を決意。入社後は、製造部にて振動発生機の組立・調整、納品業務を担当する。4年目に技術部へ異動。大型で複雑な形状の振動試験用治具（試験の対象物を固定する器具）など、様々な治具を設計してきた。会社からの期待も大きい若手社員の一人である。

真夏の蒸した工場の中、工藤はじっと試験を見守っていた。天井から吊るされた航空機用大型装置は、確かに振動している。振動台から、治具（試験体を固定する器具）に伝わった振動は、確実に、そして正確に大型装置に届いていた。装置を開発したクライアントも、額から吹き出る汗も気にせず、固唾を呑んで試験の様子を見守っていた。この装置が世に出るためには、規格以上の耐振性を有していなければならない。エミックの三島工場では、この大型装置が世に出るか否かを見極める、重要な振動試験が行なわれていたのだ。

宇宙航空機器、自動車機器、エレクトロニクス製品、精密機器などを試験する様々な振動試験装置を開発し、受託試験も行なうエミック。世の中に普及している多くの製品は、数々の安全性を確かめる厳しい規格をクリアして、初めて製品として売り出される。耐振性も、その厳しい規格の一つ。エミックはこれまで、振動試験をとおして、数々の製品を世の中に送り出してきた。そして今回もまた、航空機用大型装置が厳しい振動試験をクリアして、世の中に送り出されようとしていた。



	今まで開発してきた中で最大規模の治具を設計。

工藤がはじめてこの航空機用大型装置の設計書を目にしたのは、試験実施から1年以上も前のことだった。

2006年春、エミックのもとに「航空機用大型装置（以下、試験体）の振動試験をしたい」との依頼が入った。この試験体は、大型で形状も複雑なため、振動台に固定する治具の開発が不可欠。そこで、治具の設計を担当する工藤は、営業と一緒にクライアント先に出向き、固定すべき試験体の形を確認するところからスタートした。

「これは、難易度が高いな」。設計図を目にし、工藤は表情を曇らせた。そこに描かれていたのは1×1×1.5mという予想以上に大型の試験体。振動試験の世界では大型な治具ほど設計が難しいとされているが、これほど大きな試験体を固定する治具を、工藤は手がけた経験がなかった。

治具を始め、あらゆる物体には固有振動数（＝一番振動しやすい振動数）が決まっている。試験体に振動を与えるためには、試験体を固定している治具を通して振動を伝えなければならない。固有振動数と同じ周波数の振動を与えると、治具自身が共振（振幅が急増する現象）してしまい、正しい試験を実施することができない。もちろん、治具の固有振動数が低ければ、振動は伝わらない。今回、試験体に与えたい振動数は最高で100Ｈｚ（100回／秒）。そのため、治具の固有振動数を100Ｈｚよりも大きく設計する必要があった。とはいえ、これは簡単なことではない。なぜなら、大型になればなるほど固有振動数は低くなるからだ。1×1×1.5mというサイズならば、目標とする100Ｈｚの半分も出れば良いほうだろうと予想された。



	50Ｈｚからの挑戦、目指すは100Ｈｚ超え。

クライアントから与えられた開発期間は、現在開発中のこの製品が完成する翌年の夏まで。小さな治具の開発期間が2～3ヶ月であることを考えれば、1年以上という期間は十分と言える。それでも工藤の表情は、険しいまま。頭の中では、すでに長期戦が予想されていた。

試験体の形状から、大まかな治具の形は箱状のものに決まった。まずは簡単なモデルを作成し、専用の計算ソフトで固有振動数を測定してみる。出てきた値は、50Ｈｚ。やはり100Ｈｚには程遠い値だった。

「ここからが、スタートだ」。工藤は自身を奮起させると、すぐに改良に取り掛かった。頭の中は、どうすれば固有振動数を高めることができるのか、そのことでいっぱい。思いついたらすぐにモデルを作成し、データを取る。当初は手を加えるごとに、面白いように固有振動数は高くなっていった。

数ヶ月後――工藤が設計した治具モデルの固有振動数は、100Ｈｚまで到達していた。



	順調に伸びていく固有振動数、だが100Ｈｚで停滞してしまった。

だが、ここから先が大変だった。何十回とモデルに手を加えても、数Ｈｚの変化しか見られなくなってしまったのだ。逆に、改良することによって固有振動数を下げてしまうこともあった。「どうですか、進捗状況は？」。クライアントから電話がかかってきても、何一つよい報告ができない。「以前と変わっていません」。思うような結果が得られず、苦しい日々が続いた。

それでも、工藤は改良を続けた。「100Ｈｚではクライアントが求める実験は不可能だ」。職人としてのプライドが、工藤を突き動かしていた。治具の厚さを数mm変えてみる、梁の角度を数度変えてみる…考えられるすべてのことを片っ端から試していった。もちろん、手を加えることで固有振動数を下げてしまうこともあった。それでも、何十回と改良を繰り返すことで、わずかだが固有振動数を高めることができた。120Ｈｚ、125Ｈｚ、140Ｈｚ…徐々に高まっていく固有振動数。実験開始から1年が過ぎた頃、ついに150Ｈｚという当初より3倍も高い固有振動数を持ったモデルの作成に成功した。



	図面上の治具が、形になっていく喜び。

工藤はさらに高い値を求め、1日に数十回とモデルを変え、データを取り直すことを繰り返していた。だが、これ以上改良を加えても固有振動数は150Ｈｚから下がる一方。「限界かもしれない」。長期間にわたる開発の結果、固有振動数は極限の値に到達していた。クライアントも工藤の研究結果を見て、150Ｈｚが考えられる最高の固有振動数だと判断。「50Ｈｚ以上の余裕があれば大丈夫でしょう」。ついに、クライアントからゴーサインが出た。

工藤はモデルをもとに、図面を作成。組立も工藤自身が担当した。徐々に完成していく治具。図面に描かれていた治具が形になっていく様子に、工藤の胸は高鳴った。だが、組み立てて完成ではない。モデル上で150Ｈｚという固有振動数が出たとしても、実物でその数値が出るとは限らない。完成した治具の固有振動数を測定する工藤。測定器にうつった数字は、150Ｈｚ。この瞬間、ようやく胸を撫で下ろすことができたのだった。

クライアントに完成の旨を伝える工藤。航空機用大型装置も完成し、振動試験当日を迎えた。クライアントは完成した振動試験装置を目にし、「大きいですね」と一言。工藤も、1年半分の苦労が詰まったこの治具を感慨深そうに眺めた。

試験体を治具に固定し、いよいよ振動試験がはじまった。あとは無事、試験が終わるのを待つのみ。「こちらが、結果になります」。試験終了後、データはクライアントに手渡された。設計が専門の工藤には、このデータが規格を満たしているのかどうかは分からない。だが工藤の目には、データを持ち帰るクライアントの後ろ姿が満足しているように映った。

設計が複雑な製品の場合は、工藤自身が組み立てることもある。自分で設計したものが出来上がっていく醍醐味を味わえる。

高専にて、物理学を勉強。振動に対する計算式や基礎的な知識、考え方を身に付けた。現在も、振動試験用治具を設計する際に、学生時代に学んだ様々な計算式を活用し、振動数や加速度を求めている工藤。細かい計算式は覚えていないが、学生時代に培った基礎があるからこそ、必要に応じて、式を引用することができる。