故障率｜機器やシステムの信頼性を表す時間当たりの故障割合

故障率

故障率とは、機械、電子部品、あるいはシステム全体が、稼働している特定の期間や時間内に故障を引き起こす頻度や確率を示す、信頼性工学における極めて重要な指標である。一般的に単位時間当たりの故障件数として表され、製品の品質や安全性を評価し、適切なメンテナンス計画を策定するための基礎データとして活用される。製品が市場に投入されてから寿命を迎えるまでの間、故障率は一定ではなく、時間の経過とともに変化する性質を持っている。この時間的な推移をグラフ化したものはバスタブ曲線と呼ばれ、製品のライフサイクル管理において広く認知されている概念である。製造業においては、この数値を正確に把握し低減させることが、企業の競争力向上や顧客満足度の維持に直結するため、設計段階から製造、運用に至るまで厳密な品質管理が求められる。

計算方法と単位

基本的な故障率は、対象となる製品やシステムが稼働していた総時間に対し、発生した故障の回数を割ることで算出される。記号としてはギリシャ文字のラムダ（λ）が用いられることが多い。具体的な計算式は「λ = 故障件数 / 総稼働時間」となる。この数値が小さいほど、そのシステムは信頼性が高いと評価される。また、特に半導体や電子部品のように非常に故障が少ない部品の評価においては、FIT（Failure In Time）という単位がしばしば用いられる。1FITは、10億（10の9乗）時間稼働した際に1回故障が発生する割合を示しており、微小な数値を直感的に扱いやすくするための工夫である。

時間経過に伴う推移とバスタブ曲線

工業製品の故障率は、導入からの経過時間によって大きく3つの期間に分類され、これらを縦軸に故障率、横軸に時間をとってグラフ化すると浴槽のような形状になることから、バスタブ曲線（故障率曲線）と呼ばれる。 この曲線を理解することは、各期間に応じた適切な対策を講じる上で不可欠である。

初期故障期

使用を開始して間もない時期に発生する故障の期間である。ここでは時間の経過とともに故障率が急速に低下していく特徴を持つ。主な原因としては、設計上のミス、製造プロセスにおける欠陥、初期不良部品の混入などが挙げられる。メーカー側は出荷前のスクリーニングテスト（エージングなど）を実施することで、この期間に発生しうる不具合を市場に出る前に排除する努力を行っている。

偶発故障期

初期の不良が排除された後、製品が安定して稼働する長期間にわたるフェーズである。この期間の故障率は時間に関係なくほぼ一定となり、極めて低く抑えられる。故障は設計の限界を超えるような突発的な過負荷や、予期せぬ外部要因（落雷、異常な温度変化など）によって偶発的に引き起こされる。偶発故障期における信頼性を評価する上で用いられる代表的な確率分布が指数分布である。

摩耗故障期

長期間の使用により、部品の疲労、摩耗、経年劣化が進行し、再び故障率が上昇に転じる期間である。金属の腐食や、駆動部の物理的なすり減り、素材の化学的な変質などが原因となる。この期間の故障傾向を分析する際には、ワイブル分布や正規分布がよく用いられる。摩耗故障期に到達する前に部品交換を行う予防保全を実施することが、システム全体の致命的な停止を防ぐ鍵となる。

関連する信頼性指標

• MTBF（平均故障間隔）：システムが故障してから次に故障するまでの平均的な時間を指す。修理可能なシステムに対して用いられ、故障率の逆数（1/λ）に等しい関係にある。
• MTTF（平均故障までの時間）：使用開始から初めて故障するまでの平均時間を指す。主に修理せずに使い捨てる部品やシステムに対して適用される。
• MTTR（平均修復時間）：故障が発生してから、修理が完了しシステムが元の状態に復旧するまでの平均時間を示す。保守性の高さを示す指標である。

故障分析の手法

1. 不具合事象の定義と発生状況の正確な記録および故障率の初期算出
2. 故障部位の特定および現品調査（非破壊検査や分解調査）
3. 故障メカニズムの仮説立案と検証実験
4. 根本原因（ルートコーズ）の特定と再発防止策の策定

製造業における低減への取り組み