日本電産サーボの技術力

Project Story「働くドローンが変えていく担い手不足と高齢化が進む農業の未来」

農業に携わる人々の減少と高齢化――。日本が抱える大きな課題を解決するために急務となっているのが、農作業の省力化・効率化だ。そんな中、2019年3月にヤマハ発動機が発売した農薬散布用ドローンが注目を集めている。30年以上前から農業用無人ヘリコプター(以下、無人ヘリ)を開発し、同分野で世界トップシェアを誇るヤマハ発動機初の農業用ドローンは、今後の農業スタイルを大きく変える可能性があるからだ。
実現を可能にした技術のひとつが、同社と日本電産が共同開発した小型軽量ドローンモータ。来たるドローン新時代に向け、日本電産が初めて商品化した産業用ドローンモータである。しかし、その開発は困難を極めた。開発チームの若手メンバー、仲川の目から開発成功への軌跡を追った。

農林水産省の統計によると、1990年に482万人だった農業就業人口は2018年に175万人まで減少し、農業従事者の平均年齢は66歳を超えるまで高齢化が進んでいる。それに伴い省人化に寄与する無人ヘリによる農薬の空中散布はすでに水稲の作付面積の半分近くを占めており、そのほとんどをヤマハ発動機製の無人ヘリがカバーしている。同社では30年以上前から農業用無人ヘリを開発・提供してきた。そのノウハウと知見の蓄積を生かし、市街地の小規模な農場や個人農家の使用にも適した小型かつ低コストで導入できるドローンとして開発されたのが、農薬散布用ドローンYMR-08である。
YMR-08の特徴は、1回のフライトで1haを約15分で連続散布でき、薬剤を作物の根元までムラなく到達させられる高い散布性能を持つことだ。価格は275.4万円と1000万円以上かかる無人ヘリに比べ、はるかに導入しやすくなっている。

そのモータ開発において、同社と日本電産が手を携えることになったのは、2016年の夏頃。発端は、日本電産の研究開発拠点である中央モーター基礎技術研究所が設計し、グループ会社の日本電産サーボが開発した産業用ドローンモータの試作品をヤマハ発動機に提案したことだった。試作品の精度と品質の安定性はヤマハ発動機に高く評価され、手応えは十分だった。当時、試作品の性能評価や解析を担当していたのが、入社9年目の仲川である。「ドローンモータの開発に携わりたいと自ら志願した業務でしたが、農業用無人ヘリで世界トップシェアのヤマハ発動機さんと共同開発ができるかもしれないという話を聞いたときはさすがに興奮しました」。仲川の出身地は静岡県磐田市。ヤマハ発動機の本社がある場所だ。幼い頃から身近な存在だった会社と共に新しい分野に挑戦できるというのは、願ってもないことだった。

ヤマハ発動機との共同開発が始まる前年の2015年は、新語・流行語大賞のトップ10に「ドローン」が選ばれるなど、ドローンへの認知が広がり、「ドローン元年」と呼ばれた年だった。日本電産でも、車載製品や精密小型モータで培ってきた技術力を生かせる産業用ドローンを念頭に置いたモータ開発が始まりつつあった。農薬散布用ドローンでも他社と一線を画す製品を開発したいヤマハ発動機と、産業用ドローンモータの販路として農業分野に可能性を見ていた日本電産。「両社のニーズが一致したことが共同開発のきっかけだったことは間違いないと思います」。しかし、開発が始まった当初、「これは物凄くハードルの高い話だな」と思ったことを仲川は鮮明に覚えている。

最大の課題はモータの重さだった。試作モータの重さが約900gだったのに対し、ヤマハ発動機が求めたのは半分以下の350gだった。ドローンの飛行時間を伸ばすためには、モータの軽量化は外せない要件だったのだ。
とはいえ、ヤマハ発動機の要望に関わらず、「軽量化は必須だ」という共通認識が開発チームにはあった。ほぼ時を同じくして社内では永守会長が、「これからはモータの軽量化が必須であり、ドローンモータの重さは190g以下にする必要がある」と話していたからだ。「ドローンモータで先行している中国メーカーからは当時すでに350gの製品が出ていました。世界No.1の総合モーターメーカーを名乗っている日本電産としては、ドローンでもNo.1と胸を張れるモータを開発したいところだったのです」。かくして、部品の“贅肉”を極限まで削ぎ落とすための戦いが始まった。

中央モーター基礎技術研究所の共同開発メンバー

モータの部品の中で最も重いのは、モータを動かす電気と磁気を生み出すコイルが巻かれている鉄心部分だ。開発したモータはその鉄心の真ん中に大きな穴が空いている。「普通のモータには見られない形状で、鉄の部分をくり抜いて肉抜きしています」と仲川は説明する。しかし、後で完成したものを見て説明するのは簡単だが、部品を削れば削るほど落ちる強度と出力パワーを確保するのは、そう簡単ではなかった。
共同開発においては、ヤマハ発動機がモータの基本的な形状やデザインを、モータの性能については日本電産が担い、どこかに課題が出るたびに両社で互いに知恵を出し合い、改善策を検討していった。「会議の場でも、ヤマハ発動機さんが一番こだわっていたのはモータの軽さで、コンマ1gでも軽くしたいということでした。そこで、当初から部品の材料について検討・提案し、試作しては解析してという試行錯誤を繰り返しました。強度を保ちつつ、どこかに削ぎ落とせる部分がないかの検討は、量産設計の仕様が固まるギリギリまで続きました」。試行錯誤の結果、たどり着いたのが、必要なパワーを出すために径を大きくし、くり抜いた鉄心の強度をアルミ構造で補強するという方法だった。

しかし、開発の途中には大きな失敗もあった。開発も後半に入り、飛行実験用に600台のモータを量産し始めた直後、ヤマハ発動機から「テスト中にロータが壊れた」という連絡が入ったのだ。鉄心を削りすぎた結果、モータのカバー部分の強度が足りなくなったことが原因だった。型変更を大急ぎでやり直し、事なきを得たが、前例のない開発案件だったため、予想できないトラブルに直面することもたびたびだった。「そうしたさまざまな困難を乗り越える際に助けられたのが、モータ技術に関する知見を豊富に持つ中央モーター基礎技術研究所からの助言だった」と仲川は振り返る。「起きた問題に対して的確に原因と結果の分析ができる技術者が豊富にいることは日本電産グループの強みだと実感しました」。

農薬散布用のドローンという特性から、農薬がかかっても傷まないモータの開発は必須条件だった。しかし、農薬に強い材料開発についても仲川らには初めての経験だった。「屋外で使うモータである以上、部品の材料も表面の塗装も錆に強くなくてはならないことはわかっていました。そこで、まず錆に強い材料と、材料の表面処理をしてくれる専門メーカーを探すことから始めました。協力いただける表面処理メーカーを見つけるまでは順調でしたが、そこからが試行錯誤の連続でした」。さまざまな材料を発掘・検討し、防錆処理された表面に農薬をかけては、性質の変化を検証する日々…。錆にも農薬にも強い材料の開発には半年を要した。

他にもドローンモータには、さまざまな要件があった。故障の原因になり得る熱の発生を抑えることもそのひとつだ。熱を抑えるためには、コイルの巻線の抵抗が少なくなるように、線は太い方が好ましい。しかし、モータのパワーを出すには線を細くして巻き数を増やす方がよく、ここでも相反する課題を解決する必要があった。線の径を太くして熱を抑え、かつ巻き数を増やして出力パワーを上げるにはどうすればよいか。製造技術部門とも議論を重ね、導き出した解決策は「巻線の整列の精度を高める」というもの。「限界ギリギリまで巻線を太くしつつ、綺麗に巻くことで、限られたスペースの中で巻き数を少しでも増やすという、ある意味、力技でした」と仲川は苦笑する。

コイルを正確に巻くためには、巻線工程を手作業ではなく自動化する必要があった。「それは品質に大きく影響する要素であり、ヤマハ発動機さんが当社をパートナーに選んだのも、我々が提案した試作品の構造ならば巻線工程の自動化が可能であると判断したためだと聞いています」。ミシンのボビンが並んだような特殊な構造は、中央モーター基礎技術研究所のアイデアをもとに、日本電産サーボが開発したものだ。この特殊構造で巻線工程を自動化すれば、手巻きの他社よりも、はるかに製品の品質が安定し、高い生産性を見込むことができる。「多少無茶な運転をしてもモータが故障しないよう、安全性能への強い想いがヤマハ発動機さんにはありました。そうした信頼性、安全性を担保するためにも、製品品質のばらつきはあってはならないことだったのです」。

2018年の夏頃には、ヤマハ発動機が農薬散布用ドローンの発売時期を公表し、「何としても間に合わせなければ」という空気が開発チーム内に広がった。モータ開発と併行して、工場では自動巻線機の開発と導入が進められ、仲川も量産工場に選ばれたベトナム工場に飛び、性能確認に立ち会った
「量産化の段階でも細かな問題はいろいろ出てきたのですが、問題が起こるたびに徹底的に検証をして解決していきましたので、モータの完成度には自信があります」と仲川が言う通り、開発したモータの性能は他社品を上回り、同体格モータでは世界トップレベルの高効率を実現した。さらに、当初予定の350gを大幅に下回る260gのモータを実現することに成功した。
その後、ベトナムでの量産は順調に進み、新しいモータを載せた農薬散布用ドローンが農家の現場へと届き始めている。「今後、普及が進み、農家の作業軽減に貢献することができたら、これほど嬉しいことはありません」。

「とても難しいことに挑戦し、成果を出せて本当に良かったと思いますが、開発中は心が休まる暇がありませんでした。それでもモチベーションを高く保てたのは、モータ技術で産業用ドローンの普及に貢献して新しい時代を作っていくんだという想いでした」と、仲川は振り返る。 手応えはある。モータをリリースした後の反響は大きく、幅広い用途での引き合いが相次いでいるからだ。「ドローンモータ市場に新規参入することができたので、今後は先行する中国メーカーにも売り込みに行き、ドローン市場拡大に貢献したいです。産業用ドローンは、農薬散布のほか肥料や種の散布、またカメラを搭載すれば作物の生育状況の把握などにも貢献できるはずです。また、宅配などの物流分野や、撮影や測量などの建築用途においてもドローン活用への期待が高まっています」。
空撮、点検・検査、測量、農業、輸送・配送など、幅広い分野で市場が拡大していくと見られる産業用ドローン。矢野経済研究所が行なった調査によれば、2020年には世界のドローン市場は2兆円超まで拡大すると予測されている。「今回の開発を得た技術をもとに、あらゆる分野の産業用ドローンに日本電産のモータを提供し、世の中に貢献できたらと思っています」。

前例のない挑戦が必要な開発において
「できない」と言わない企業風土が魅力でした

ソリューション事業本部
ロボティクス事業部
UMS統括部 開発部
吉原 正典様

ドローンは急速に普及し、様々な分野で使用されるようになっていますが、製品のほとんどはホビー用途の部品をそのまま使用したものです。しかし、今後、ドローンが成長期から成熟期を迎えるには、一般の人々が実用の場で利便性を感じられるようなドローンが求められると考えています。そのため今回は、農家の方が使い勝手の良さや期待どおりの効果を実感できるようなドローンを提供することを主眼に、モータをはじめ、電池、あらゆる制御・機体に至る全ての要素をシンプルにまとめて製品化しました。

日本電産には、今のドローンの大半を占める中国製の価格に対抗できるコスト競争力があります。また、前例のない挑戦も必要になる開発において、目的に合った製法を作り出せる柔軟な生産技術力が期待できることが、共同開発企業として選んだ大きな理由です。実際の開発では、設計・開発部署と研究所が連携し、今までにないレベルや仕様のモータを作り込んでいける体制と、それを実現するために「できない」と言わない企業風土が何より魅力に感じました。日本電産には、更に軽く、強いドローンモータの開発を期待したいですね。それによってドローンが世の中を変えていける可能性が広がっていくのではないでしょうか。

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