FTA・FMEA・DRBFMは、設計段階で故障や不具合を予測し、品質トラブルを未然に防ぐための代表的な分析手法です。
しかし、設計現場で「FMEAを実施してください」「DRBFMで確認しましょう」と言われても、具体的に何をすればよいのか分からないこともあるのではないでしょうか。
実は、この3つは似ているようで、分析の出発点がまったく違います。
- FTA：発生してほしくない故障から、その原因を探す
- FMEA：部品や機能が故障したら何が起こるかを予測する
- DRBFM：設計変更によって新たに発生する不具合を見つける
この記事では、3つの分析手法の違い、実施手順、設計現場での使い分けを、モーターの故障を例にわかりやすく解説します。
FTA・FMEA・DRBFMの違いを比較
最初に、それぞれの特徴を比較してみましょう。
| 比較項目 | FTA | FMEA | DRBFM |
|---|---|---|---|
| 日本語名称 | フォルトツリー解析 | 故障モード影響解析 | 故障モードに基づく設計レビュー |
| 分析の出発点 | 発生してほしくない事象 | 部品・機能の故障モード | 設計の変更点・変化点 |
| 分析方向 | トップダウン | ボトムアップ | 変更点を起点に影響を分析 |
| 主な目的 | 故障原因の組合せを明確化 | 潜在的な故障と影響を洗い出す | 設計変更による問題を未然防止 |
| 主な成果物 | フォルトツリー図 | FMEAシート | DRBFMシート・レビュー記録 |
| 特に有効な場面 | 重大な故障・事故の分析 | 新製品の設計・工程設計 | 既存製品の設計変更 |
例えば、モーターを搭載した機械装置で考えてみます。
「モーターが焼損する原因は何か？」と考えるのがFTA。
「モーターや周辺部品が故障した場合、装置にはどのような影響が出るか？」と考えるのがFMEA。
「冷却ファンを小型化したら、今まで問題なかった部分に新しい故障が発生しないか？」と考えるのがDRBFMです。
目的を理解して使い分けることで、効率的に設計品質を高められます。
FTA（フォルトツリー解析）とは？故障の原因を追いかける分析方法
FTAの基本的な考え方
FTA（Fault Tree Analysis：フォルトツリー解析）は、発生してほしくない事象を最初に決め、その事象がどのような原因や条件の組合せで発生するかを分析する手法です。
「故障」という結果から「原因」に向かって掘り下げるため、トップダウン型の分析手法と呼ばれます。
例えば、装置のモーターが焼損してしまった場合、原因として次のような可能性が考えられます。
- 冷却ファンの故障
- 軸受の摩耗による異常な摩擦
- モーターの過負荷運転
- 温度センサーの故障
- 保護回路が正常に動作しない
これらの事象が、単独で故障につながるのか、複数の条件が重なって初めて故障につながるのかを整理するのがFTAです。
FTAのやり方：基本の5ステップ
STEP1：トップ事象を決める
最初に、分析対象となる「発生してほしくない事象」を具体的に設定します。
例えば「モーターが故障する」では範囲が広すぎます。
「過熱によってモーターの巻線が焼損する」のように故障状態を具体的に定義すると、原因を分析しやすくなります。
この事象をトップ事象（Top Event）と呼びます。
STEP2：発生要因を洗い出す
トップ事象の発生に関係する要因を整理します。
モーターが過熱によって焼損する場合、例えば次の2つの条件に着目できます。
- モーターに過剰な熱が発生する
- 温度保護機能が正常に働かない
さらに、過剰な発熱の原因として、冷却能力の低下や軸受の異常などを掘り下げていきます。
STEP3：フォルトツリー図を作成する
原因の関係性を、ANDゲートやORゲートを使用して図にします。
複数の事象を階層構造に整理することで、どの原因を防げば故障を回避できるのかが見えてきます。
STEP4：発生確率や重要度を評価する
必要に応じて、各事象の故障確率、発生頻度、依存関係を評価します。
重大事故につながる事象では、故障データや信頼性試験などをもとに定量的な評価を実施します。
一方、設計初期で信頼できるデータがない場合には、無理に確率を設定せず、まず定性的な分析を行う方法もあります。
STEP5：故障を防ぐための対策を決める
フォルトツリーを確認し、効果の大きい対策を検討します。
例えば、冷却ファンの故障が重要な要因であれば、ファンの耐久性向上や異常検知が候補になります。
温度保護機能が問題であれば、センサーの診断機能や保護回路の構成を見直します。
対策後は、フォルトツリーや評価結果を更新します。
FTAのANDゲートとORゲートの違い
FTAを理解するうえで重要なのが、ANDゲートとORゲートです。
ORゲート：どれか1つの事象が発生すれば成立する
例えば、モーターが過剰に発熱する原因を考えます。
- A：軸受の摩耗で摩擦が増える
- B：冷却ファンが停止する
どちらか一方でも過剰な発熱が起こり得る場合は、ORゲートで表現します。
ANDゲート：すべての条件が成立した場合に発生する
例えば、対象とする過熱焼損のシナリオが次の2つの条件で成立すると仮定します。
- A：モーターが過剰に発熱する
- B：温度保護機能が作動しない
この場合にはANDゲートを使用します。
ただし、現実の故障には複数の経路があるため、対象とする故障シナリオや分析範囲を正確に設定する必要があります。
FTAの発生確率の計算方法
FTAでは、故障事象の論理関係をもとに発生確率を計算できます。
ORゲートの場合
事象AまたはBが発生する確率は、次の式で表されます。
P(AまたはB) = P(A) + P(B) − P(AかつB)
AとBが独立している場合は、
P(AまたはB) = P(A) + P(B) − P(A)×P(B)
となります。
例えば、同じ評価期間における故障確率が、
- A：1％
- B：2％
で、互いに独立しているとすると、
0.01 + 0.02 − 0.01×0.02 = 0.0298
つまり、発生確率は 2.98％ です。
確率が非常に小さい場合は単純加算で近似できることがありますが、常に加算してよいわけではありません。
ANDゲートの場合
2つの事象が同時に成立する確率は、
P(AかつB) = P(A)×P(B｜A)
です。
AとBが独立している場合に限り、
P(AかつB) = P(A)×P(B)
と計算できます。
例えば、Aが1％、Bが2％で独立している場合、
0.01 × 0.02 = 0.0002
発生確率は 0.02％ となります。
ただし、同じ電源の故障によって複数の機器が同時に停止する場合など、共通原因故障が存在すると単純な積算では正しく評価できません。
また、「年1回」という発生頻度と「1年間に故障する確率」は同じ意味ではありません。故障率・故障確率・作動不能確率は区別し、評価期間や運転条件をそろえて計算する必要があります。
FTAを設計現場で活用するポイント
FTAは、特に次のような場合に効果的です。
- 装置が突然停止する原因を整理したい
- 発火や過熱などの重大故障を防止したい
- 安全装置が機能しなくなる条件を分析したい
- 複数の故障が重なって発生する事故を検討したい
- 故障に対する安全対策や冗長化の有効性を確認したい
FTAの大きなメリットは、複数の原因が組み合わさって発生する故障を論理的に説明できることです。
FMEA（故障モード影響解析）とは？故障する前に問題を見つける方法
FMEAの基本的な考え方
FMEA（Failure Mode and Effects Analysis：故障モード影響解析）は、製品を構成する部品や機能について、どのような故障が起こり得るのか、その故障が製品全体にどのような影響を与えるのかを分析する方法です。
FTAが「結果から原因を探す」のに対し、FMEAは「故障モードから影響を考える」のが特徴です。
例えば、モーターの冷却ファンについて、
「冷却ファンが停止したらどうなるだろう？」
と考えるところから分析を始めます。
冷却ファンの停止により、冷却能力が低下し、モーター温度が上昇する可能性があります。
さらに温度保護機能が適切に作動しなければ、重大な損傷につながるおそれもあります。
このように、設計段階で潜在的な問題を発見し、対策を検討することがFMEAの目的です。
設計FMEA（DFMEA）と工程FMEA（PFMEA）の違い
FMEAには、主に次の2つの種類があります。
設計FMEA（DFMEA）
製品の構造や機能に関する故障を分析します。
例えば、軸の強度不足、冷却能力不足、部品の疲労破壊、センサー異常などが対象です。
工程FMEA（PFMEA）
製造や組立工程で発生する不具合を分析します。
例えば、ボルトの締付け不足、部品の組付け間違い、溶接不良、検査漏れなどが対象になります。
機械設計者が製品開発で利用する場合は、設計FMEAが中心になります。
FMEAのやり方：具体的な実施手順
STEP1：分析対象の部品や機能を決める
モーター、冷却ファン、温度センサーなど、分析対象を構成要素や機能に分解します。
STEP2：故障モードを洗い出す
故障モードとは、部品や機能が正常な状態から外れる具体的な状態です。
例えば、
- ファンが回転しない
- センサーの出力が固定される
- 軸受に異常な摩耗が発生する
- 配線が断線する
などが挙げられます。
STEP3：故障の影響と原因を分析する
それぞれの故障について、装置全体への影響と発生原因を整理します。
| 分析対象 | 故障モード | 想定される影響 | 主な原因例 |
|---|---|---|---|
| 冷却ファン | 回転停止 | モーター温度上昇 | 軸受故障・断線 |
| 温度センサー | 出力異常 | 温度監視の異常 | 配線不良・素子故障 |
| モーター軸受 | 異常摩耗 | 振動・発熱増加 | 潤滑不足・荷重過大 |
| 電源コネクタ | 接触不良 | 電圧低下・装置停止 | 振動・接触圧不足 |
このように表にまとめることで、設計上の弱点を可視化できます。
STEP4：リスクを評価する
従来型のFMEAでは、主に次の3つの項目を評価します。
- S（Severity）：影響の重大度
- O（Occurrence）：発生度
- D（Detection）：検出度
一般的に、各項目を所定の評価基準に従って数値化します。
従来のリスク優先数（RPN）は、
RPN = S × O × D
で計算されます。
ただし、RPNが同じでも重大度が大きく異なる場合があります。
そのため、AIAG & VDA FMEAでは、RPNに代わり、重大度・発生度・検出度の組合せから対策の優先度を判断するAP（Action Priority）が採用されています。
採用する評価方式は、業界規格や顧客要求、自社の品質管理ルールに合わせて選択する必要があります。
STEP5：対策と再評価を行う
リスクの高い項目について、設計変更や検証方法の改善を行います。
例えば冷却ファンが故障した場合の対策として、
- 耐久性の高いファンを採用する
- ファンの回転異常を検知する
- 温度上昇時にモーターを停止させる
- 冷却風路や部品配置を見直す
などが考えられます。
対策を実施した後は、その有効性を確認し、リスク評価を更新します。
FMEAでありがちな失敗
FMEAでは、シートを埋めること自体が目的になってしまうことがあります。
しかし、本当に重要なのは分析結果を設計に反映することです。
特に注意したいのが、次の3点です。
1．故障モードが抽象的すぎる
「故障する」だけでは対策を考えにくいため、「回転停止」「破断」「漏れ」「固着」など、具体的な状態で表現します。
2．原因と影響を混同する
「軸受の摩耗が発生する」という故障モードに対して、「振動が増加する」は影響、「潤滑不足」は原因というように区別します。
3．対策の実施確認がない
担当者、実施期限、検証結果を明確にし、対策の効果を確認することが重要です。
FMEAは、製品開発の早い段階で実施し、設計の進行に合わせて更新することで、より効果を発揮します。
DRBFMとは？設計変更による不具合を未然に防ぐ方法
DRBFMの基本的な考え方
DRBFM（Design Review Based on Failure Mode）は、設計変更や使用環境の変化によって新たに生じる可能性がある問題を、設計レビューで徹底的に検討する手法です。
トヨタ自動車で発展した未然防止活動の考え方に基づいています。
DRBFMの特徴は、変更点・変化点に注目して、関係者と技術的な議論を深めることです。
例えば、従来の設計で問題なく動いていた冷却ファンを、小型化することになったとします。
小型化によってコストや装置サイズを削減できるかもしれません。
しかし、その変更によって、
- 冷却風量が不足しないか
- 流路抵抗が大きくならないか
- ファンの騒音や振動が増加しないか
- モーターの温度が上昇しないか
- 取付部の強度やクリアランスに問題がないか
といった新しい心配点が生じます。
これらを設計者だけで判断せず、関係部門と議論して問題を見つけるのがDRBFMです。
DRBFMとGD3の関係
DRBFMは、GD3と呼ばれる未然防止の考え方に基づいています。
GD3は、次の3つの考え方から構成されています。
- Good Design：良い設計
- Good Discussion：良い議論
- Good Design Review：良い設計レビュー
重要なのは、変更点に対して「本当に問題ないか」「ほかに問題が起こらないか」と繰り返し検討することです。
設計者の経験や知識に加えて、製造、品質保証、試験・評価など、異なる立場からの意見を取り入れます。
こちらの本も参考になります。
事例でナットク！ DRBFMによる正しい設計プロセスの実行とGD&T（公差設計と幾何公差）で問題解決
DRBFMのやり方：5つのステップ
STEP1：変更点・変化点を明確にする
最初に、従来設計から何を変更したかを整理します。
例えば、
- 冷却ファンの直径を変更した
- モーターの材質を変更した
- 部品の厚みを薄くした
- 仕入先を変更した
- 使用温度の条件が変わった
などが該当します。
図面上の変更だけでなく、使用条件や製造方法の変化も対象です。
STEP2：変更による影響を考える
変更によって、どのような機能や性能に影響が出るかを検討します。
冷却ファンの小型化であれば、風量、静圧、冷却能力、振動、騒音などが対象になります。
STEP3：心配点・故障モードを洗い出す
変更によって発生する可能性がある問題を具体的に挙げます。
例えば、
「風量不足によってモーター温度が設計上限を超える可能性がある」
というように、問題とその発生メカニズムを考えます。
STEP4：関係者と設計レビューを行う
設計、製造、品質保証、試験・評価などの関係者が参加し、問題点について議論します。
ここでは単に問題の有無を確認するだけでなく、図面、計算結果、試験データなどを使って技術的に検討することが重要です。
STEP5：対策を実施し、効果を確認する
レビューで見つかった問題について、設計変更や検証試験を実施します。
例えば、小型化した冷却ファンを採用する場合には、
- 最大負荷条件での温度試験
- 高温環境での冷却性能確認
- 振動・騒音試験
- 長時間運転による耐久試験
などを実施します。
試験結果から設計の妥当性を確認し、必要に応じて変更内容を見直します。
DRBFMで特に注意したい「変えていない部分」
設計変更による不具合は、変更した部品だけに発生するとは限りません。
例えば、冷却ファンを小型化した場合、ファン自体は仕様を満足していても、その周辺のモーターや筐体内部の温度が上昇する可能性があります。
また、部品を変更していなくても、設置環境や運転条件が変われば、従来の設計が成立しなくなる場合があります。
DRBFMでは、変更部品と周辺部品との関係、つまりインターフェースへの影響まで確認することが重要です。
実際の機械設計では3つの手法をどう使い分ける？
FTA・FMEA・DRBFMは、どれか1つを選べばよいというものではありません。
製品開発の段階や分析目的に応じて組み合わせることで、故障の見落としを減らすことができます。
新製品の設計段階ではFMEA
新しくモーターを搭載した装置を開発する場合、各構成部品や機能についてFMEAを実施します。
想定される故障モードを洗い出し、その影響と対策を検討することで、開発初期にリスクを減らすことができます。
重大な故障を防ぎたい場合はFTA
「モーター焼損」「安全機能の喪失」「装置の危険な動作」など、特に防止したい事象についてFTAを実施します。
複数の要因が組み合わさるシナリオを検討できるため、安全性や信頼性を高める設計に役立ちます。
既存設計を変更する場合はDRBFM
実績のある装置の部品を小型化したり、材料や仕入先を変更したりする場合は、DRBFMが有効です。
変更点と周辺への影響を重点的に分析することで、過去の設計実績を活用しながら、新たな不具合の発生を防止できます。
3つを組み合わせた設計品質の向上
例えば、次のような流れが考えられます。
- FMEAで装置全体の潜在的な故障を洗い出す。
- 重大な故障についてFTAを実施し、発生条件を詳しく分析する。
- 対策として設計変更を実施する際にDRBFMを活用する。
- 試験や解析で対策の妥当性を確認する。
- 分析結果を設計標準や過去のFMEAに反映する。
これは一例であり、必ずこの順番で実施する必要はありません。
重要なのは、分析結果を図面、仕様書、評価条件、製造工程などに反映し、次の開発でも活用できる形で残すことです。
こちらの本も参考になります。
ゼロから始めるFMEA（故障モード影響解析）: リスクを見極め、チャンスを掴む新時代の戦略 (即戦力となるビジネススキル)
よくある質問（FAQ）
Q1．FTAとFMEAはどちらを先に実施すべきですか？
目的によって異なります。新製品の潜在的な故障を広く分析したい場合はFMEAから始めることが多く、重大な故障の発生条件を詳しく分析したい場合はFTAが有効です。
Q2．FMEAとDRBFMの違いは何ですか？
FMEAは製品や工程の故障モードを体系的に分析する手法です。DRBFMは設計変更や使用条件の変化に着目し、その変更に伴うリスクを重点的に議論する手法です。DRBFMはFMEAを完全に置き換えるものではありません。
Q3．FTAは故障確率が分からなくても実施できますか？
実施できます。故障確率の計算を行わず、原因や事象の組合せを整理する定性的FTAも有効です。信頼できる故障データが得られた段階で、必要に応じて定量評価を行います。
Q4．小規模な設計変更でもDRBFMは必要ですか？
変更の規模だけでなく、その変更が製品に与える影響によって判断します。小さな寸法変更であっても、強度、冷却、振動、組立性などに影響する場合は、重点的なレビューが必要です。
まとめ：FTA・FMEA・DRBFMを使いこなして設計品質を高めよう
FTA・FMEA・DRBFMは、いずれも製品の品質や信頼性を向上させるための重要な分析手法です。
もう一度、基本的な違いを整理します。
- FTA：故障という結果から原因を分析する
- FMEA：部品や機能の故障を想定して影響を分析する
- DRBFM：変更点を起点に新たな不具合を未然防止する
設計現場では、すべての分析を形式的に実施するのではなく、製品のリスクや開発段階に合わせて使い分けることが大切です。
設計者にとって重要なのは、分析シートを完成させることではなく、発生し得る不具合を設計段階で発見し、対策を図面や仕様に反映することです。
この考え方を習慣化することで、手戻りや品質トラブルを減らし、より信頼性の高い製品開発につなげられます。
