JP2006125566A - 建設機械の油圧シリンダ電動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】油圧シリンダへ圧油を給排するための切換弁のほかに特別な弁を追加せずに電力回生を行えるようにする。
【解決手段】油圧ポンプ２２からの圧油の方向を切り換える切換弁２７には、Ｐ１ポートに油圧ポンプ２２を接続し、Ｐ２ポートに両方向ポンプモータ２４を接続し、Ｔｎポートにタンク２８を接続する。両方向ポンプモータ２４は電動モータジェネレータに接続される。切換弁２７の中立位置（イ）ではブームシリンダ１８がブロックされる。切換弁２７の操作時は、ブームシリンダ１８のボトム側１８ａが常に両方向ポンプモータ２４に接続され、ブームシリンダ１８のトップ１８ｂ側は、ブームシリンダ１８の伸び位置（ロ）でタンク２８へ連通され、ブームシリンダ１８の縮み位置（ハ）で油圧ポンプ２２へ接続される。
【選択図】図２

Description

本発明は建設機械の油圧シリンダ電動装置に関するものであり、特に、電動モータジェネレータで駆動される両方向ポンプモータを備えた建設機械の油圧シリンダ電動装置に関するものである。

従来、作業機を駆動する油圧シリンダと、該油圧シリンダへ圧油を供給する油圧ポンプと、油圧ポンプからの圧油の方向を切り換える切換弁を備えた建設機械の油圧回路は広く知られている。また、油圧シリンダからの油排出回路に回生用発電機（ジェネレータ）と連結した油圧モータを設け、旋回用駆動源を旋回用電動発電機（電動モータジェネレータ）とし、走行用駆動源を走行用電動機（電動モータ）とする。そして、電力コントローラによって回生用発電機、旋回用電動発電機、走行用電動機、エンジンに連結された発電電動機及びバッテリの間の給電及び充電を行うように構成した建設機械（ハイブリッドショベル）が知られている（例えば、特許文献１参照）。

作業機を駆動する油圧アクチュエータにおけるメータアウト側からの戻り油を回収し、その回収した戻り油によって回転駆動されるポンプモータを備えて構成される油圧回生回路と、この油圧回生回路の開閉を切り換える切換手段と、ポンプモータからの回転力により電力を発生する発電機を設けた建設機械も知られている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００１−２０７４８２号公報 特開２００３−３２９０１２号公報

特許文献１記載の発明は、油圧シリンダからの排出油で油圧モータを回転させて回生発電を行うものであり、油圧シリンダへ圧油を給排するための切換弁のほかに、油圧モータへ排出油を迂回させるための弁が必要であり、構成が複雑化してコストアップとなる。

特許文献２記載の発明は、油圧アクチュエータにおけるメータアウト側からの戻り油を回収し、その回収した戻り油によりポンプモータを回転させて回生発電を行うものであり、特許文献１記載の発明と同様に、油圧シリンダへ圧油を給排するための切換弁のほかに、ポンプモータへ排出油を切り換える弁が必要であり、構成が複雑化してコストアップとなる。

そこで、油圧シリンダへ圧油を給排するための切換弁のほかに特別な弁を追加せずに電力回生を行えるようにするために解決すべき技術的課題が生じてくるのであり、本発明はこの課題を解決することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために提案されたものであり、請求項１記載の発明は、作業機を駆動する油圧シリンダと、該油圧シリンダへ圧油を供給する油圧ポンプと、油圧ポンプからの圧油の方向を切り換える切換弁を備えた建設機械の油圧回路において、前記切換弁には、前記油圧ポンプとは別の入力ポートに電動モータジェネレータによって駆動される両方向ポンプモータを接続し、前記切換弁の操作時に油圧シリンダのボトム側が常に前記両方向ポンプモータに接続され、油圧シリンダのトップ側は前記油圧シリンダの伸長操作信号でタンクポートへ連通され、一方、油圧シリンダの収縮操作信号で前記油圧ポンプへ接続され、更に、前記切換弁中立位置では油圧シリンダがブロックされるように構成した建設機械の油圧シリンダ電動装置を提供する。

この構成によれば、切換弁を油圧シリンダの伸長方向へ操作したときは、油圧シリンダのトップ側はタンクポートへ連通され、油圧シリンダのボトム側は両方向ポンプモータに接続される。両方向ポンプモータの駆動軸に連結された電動モータジェネレータを電動機として動作させて両方向ポンプモータを駆動すれば、圧油が切換弁を介して油圧シリンダのボトム側へ供給されて油圧シリンダが伸長動作する。油圧シリンダの伸長は両方向ポンプモータの単独駆動によって行われるため、他の油圧アクチュエータとの複合操作においても、相互にアクチュエータの独立性が高まって省エネルギーとなる。

一方、切換弁を油圧シリンダの収縮方向へ操作したときは、油圧シリンダのトップ側は油圧ポンプへ接続され、油圧シリンダのボトム側は両方向ポンプモータに接続される。油圧ポンプの圧油が切換弁を介して油圧シリンダのトップ側へ供給されて油圧シリンダが収縮動作する。このとき、油圧シリンダのボトム側の保持圧を油圧源として両方向ポンプモータを駆動する。該両方向ポンプモータの押除容積、保持圧、回転数の積がパワーとなり、両方向ポンプモータの駆動軸に連結された電動モータジェネレータを発電機として駆動し、電力に回生する。油圧シリンダの動作速度は操作量に応じて滑らかに変化するように回転数が制御される。

請求項２記載の発明は、上記切換弁の操作量が小さいときは切換弁の開口面積を微小とし、切換弁の操作量の増加に伴い急速に最大開口面積となるように構成した建設機械の油圧シリンダ電動装置を提供する。

この構成によれば、切換弁の操作量が小さいときは微小開口により両方向ポンプモータが回転制御されず、両方向ポンプモータの内部リークの影響を受けずに油圧シリンダを制御する。そして、切換弁の操作量が一定値を超えたときは開口面積が急速に最大となり両方向ポンプモータが操作量に応じて回転制御される。

請求項３記載の発明は、上記切換弁の油圧シリンダ伸長操作量が微小であるときは、上記両方向ポンプモータの吐出圧を上記油圧シリンダの保持圧以上にする制御部を備えた建設機械の油圧シリンダ電動装置を提供する。

この構成によれば、両方向ポンプモータの回転が小さい場合は流量が内部ドレンとしてタンクへ流出し、このため、両方向ポンプモータの吐出圧が低下して油圧シリンダの保持圧を維持できなくなることがあるので、切換弁の操作量が微小であるときは両方向ポンプモータの吐出圧を油圧シリンダの保持圧以上にすることにより、メータイン制御となって油圧シリンダの微小な操作ができる。

請求項４記載の発明は、上記油圧シリンダの保持圧または上記切換弁の開口前後の差圧を入力圧とし、この入力圧に基づき上記両方向ポンプモータの吐出圧を一定の差圧となるように流量制御する制御部を備えた建設機械の油圧シリンダ電動装置を提供する。

この構成によれば、油圧シリンダの保持圧または上記切換弁の開口前後の差圧を圧力センサまたは差圧センサに入力し、この入力圧に基づいて両方向ポンプモータの吐出圧を制御する。

請求項５記載の発明は、上記切換弁と油圧シリンダのボトム側との間に保持弁を設け、油圧シリンダの収縮操作信号により切換弁が開口する前に前記保持弁が開口するように構成した建設機械の油圧シリンダ電動装置を提供する。

この構成によれば、切換弁からリークする圧油が保持弁によって最小限に抑止される。油圧シリンダの収縮操作信号があったときは切換弁が開口する前に保持弁が開口して、油圧シリンダのボトム側から排出される圧油が切換弁を通って前記両方向ポンプモータに供給されて電力回生が行われる。

請求項６記載の発明は、上記切換弁の中立位置では上記両方向ポンプモータとタンクとを連通した建設機械の油圧シリンダ電動装置を提供する。

この構成によれば、切換弁が中立位置のときは両方向ポンプモータとタンクとを連通するので、操作急停止などで切換弁を中立位置に戻したときに、両方向ポンプモータが回転している場合の流量を確保して異常な圧力上昇の発生を防止する。

請求項７記載の発明は、上記切換弁は、油圧シリンダの収縮操作信号で油圧シリンダのトップ側とボトム側がトップ側からの流れを阻止するチェック弁を介して接続されるとともに、油圧シリンダのボトム側とタンクポートが絞りを介して接続され、一方、油圧シリンダの伸長操作信号で上記油圧シリンダのボトム側と油圧ポンプ並びに両方向ポンプモータを接続するように構成した建設機械の油圧シリンダ電動装置を提供する。

この構成によれば、切換弁を油圧シリンダの収縮方向へ操作したときは、チェック弁により油圧シリンダのトップ側からボトム側への流れが阻止され、ボトム側から排出される圧油が両方向ポンプモータに供給されて電力回生が行われるとともに、絞りにより背圧がかかってメータアウト制御が行われる。一方、切換弁を油圧シリンダの伸長方向へ操作したときは、油圧ポンプから吐出された圧油と両方向ポンプモータから吐出された圧油が合流して油圧シリンダのボトム側へ供給され、油圧シリンダの動作速度を増速できる。

請求項８記載の発明は、上記両方向ポンプモータと電動モータジェネレータとの間に変速機を介装した建設機械の油圧シリンダ電動装置を提供する。

この構成によれば、電動モータジェネレータを高速運転で駆動することにより電動モータジェネレータの小型化を図り、電動モータジェネレータの回転を変速機で減速することにより、両方向ポンプモータを適正な回転で駆動できる。

請求項９記載の発明は、上記両方向ポンプモータは可変容量式である建設機械の油圧シリンダ電動装置を提供する。

この構成によれば、油圧シリンダの収縮操作時に両方向ポンプモータのトルクを低下させて回転数を上昇させることにより、両方向ポンプモータが高回転となって電動モータジェネレータにて効率のよい電力回生が行われる。また、油圧シリンダの伸長操作時は両方向ポンプモータの吐出量を増加させることにより、油圧シリンダの動作速度が増速される。

請求項１０記載の発明は、上記切換弁の操作量に対して上記両方向ポンプモータの流量制御動特性に遅れが生じるように流量制御する制御部を備えた建設機械の油圧シリンダ電動装置を提供する。

この構成によれば、切換弁を急速に操作した場合、操作開始時は操作に追従して両方向ポンプモータの流量が急速に増加するため油圧シリンダの動作速度に遅れがなく、その後は、両方向ポンプモータの流量増加に遅れが生じるため、油圧シリンダの動作速度が円滑に加速されてショックの少ない加減速が行われる。

請求項１記載の発明は、切換弁を油圧シリンダの伸長方向へ操作したときは、動力損失の少ない駆動ができ、他の油圧アクチュエータとの複合操作においても省エネルギーとなる。一方、切換弁を油圧シリンダの収縮方向へ操作したときは、位置エネルギーを電気エネルギーに変換して電力回生することができる。斯くして、従来のように切換弁のほかに特別な弁を追加することなく、簡素な構成で電力回生を行うことが可能となる。

請求項２記載の発明は、切換弁の操作量が小さいときは微小開口により両方向ポンプモータが回転制御されないので、両方向ポンプモーの内部リークの影響を受けずに油圧シリンダを制御することができる。切換弁の操作量が増加すれば開口が急速に最大となるので、両方向ポンプモータが操作量に応じて回転制御され、操作量に対する油圧シリンダの応答性を向上させることができる。

請求項３記載の発明は、切換弁の油圧シリンダ伸長操作量が微小であるときは、両方向ポンプモータの吐出圧を油圧シリンダの保持圧以上にすることでメータイン制御とし、微小な油圧シリンダ伸長操作が可能となる。

請求項４記載の発明は、油圧シリンダの保持圧または上記切換弁の開口前後の差圧入力にて両方向ポンプモータの吐出圧を制御するので、前記切換弁の開口前後の圧力差が常に一定となるように制御することができ、微小流量での正確な制御が可能となる。

請求項５記載の発明は、切換弁と油圧シリンダのボトム側との間に保持弁を設けたので、切換弁からリークする圧油が最小限となるように抑止することができる。また、油圧シリンダ伸長操作時はロードチェック弁としても作用し、負荷によって油圧シリンダが収縮方向へ押し戻されるのを防止することができる。

請求項６記載の発明は、切換弁が中立位置のときは両方向ポンプモータとタンクとを連通するので、操作急停止などで両方向ポンプモータの応答が遅れて切換弁が中立位置に戻った場合でも、両方向ポンプモータが回転しているときの流量を確保して、異常な高圧の発生を防止することができる。また、油圧シリンダ伸長操作時においては、スタンバイ流量を増加して応答性を向上させることも可能となる。

請求項７記載の発明は、油圧シリンダ収縮操作時は圧油が両方向ポンプモータに供給されて電力回生を行うことができるとともに、メータアウト制御が行われるので負荷変動に対して油圧シリンダの動作を安定させることができる。

請求項８記載の発明は、両方向ポンプモータと電動モータジェネレータとの間に変速機を介装し、電動モータジェネレータを高速運転して変速機で減速することにより、高速化による電動モータジェネレータの小型化並びに高効率化を図ることができる。高速化が困難である両方向ポンプモータは変速機によって適正な回転で駆動されるので、両方向ポンプモータの寿命を長くすることができる。

請求項９記載の発明は、両方向ポンプモータは可変容量式であるので、容量を上昇させて回転数を高くすることにより、油圧シリンダ伸長操作時は油圧シリンダの動作速度を速くすることができる。また、油圧シリンダ収縮操作時は電動モータジェネレータにて効率のよい電力回生が可能となる。

請求項１０記載の発明は、両方向ポンプモータの流量制御動特性で、操作量に対して遅れが生じるように制御するので、急操作した場合、動き始めは応答性が俊敏であり、その後は加速を滑らかにすることにより、ショックの少ない加減速が可能となって操作性の向上に寄与できる。

以下、本発明に係る建設機械の油圧シリンダ電動装置について、好適な実施例をあげて説明する。油圧シリンダへ圧油を給排するための切換弁のほかに特別な弁を追加せずに電力回生を行えるようにするという目的を、切換弁には、油圧ポンプとは別の入力ポートに電動モータジェネレータによって駆動される両方向ポンプモータを接続し、切換弁の操作時に油圧シリンダのボトム側が常に両方向ポンプモータに接続され、油圧シリンダのトップ側は油圧シリンダの伸長操作信号でタンクポートへ連通され、一方、油圧シリンダの収縮操作信号で油圧ポンプへ接続され、更に、切換弁中立位置では油圧シリンダがブロックされるように構成したことにより実現した。

図１は建設機械の一例としてハイブリッド式の油圧ショベル１０を示し、下部走行体１１の上に旋回機構１２を介して上部旋回体１３が旋回自在に載置されている。上部旋回体１３にはその前方一側部にキャブ１４が設けられ、且つ、前方中央部にブーム１５が俯仰可能に取り付けられている。更に、ブーム１５の先端にアーム１６が上下回動自在に取り付けられ、該アーム１６の先端にバケット１７が取り付けられている。

前記ブーム１５、アーム１６、バケット１７等のアタッチメントを駆動する油圧アクチュエータとして、ブームシリンダ１８、アームシリンダ１９、バケットシリンダ２０が夫々設けられており、上部旋回体に搭載されたエンジン２１により油圧ポンプ２２を駆動して各油圧アクチュエータへ圧油を給排する。

更に、両方向ポンプモータ２４の駆動軸に電動モータジェネレータ２３が連結され、該電動モータジェネレータ２３はインバータを備えた制御部２５を介してバッテリ２６に接続されている。

図２は油圧シリンダ電動装置の一例としてブームシリンダ１８の駆動回路を示し、ブームシリンダ１８へ圧油を供給する油圧ポンプ２２と、油圧ポンプ２２からの圧油の方向を切り換えるための３位置５ポートのパイロット式切換弁２７が設けられている。

該切換弁２７の入口側のポート（図中下側のポート）は、Ｐ１ポートに前記油圧ポンプ２２を接続し、Ｐ２ポートに前記両方向ポンプモータ２４を接続するとともに、Ｔｎポートはタンク２８に連通している。また、前記油圧ポンプ２２の吐出油路にはリリーフ弁２９が設けられている。一方、該切換弁２７の出口側のポート（図中上側のポート）は、Ｂポートにブームシリンダ１８のボトム側１８ａを接続し、Ｔポートにブームシリンダ１８のトップ側１８ｂを接続する。

前述したように、前記両方向ポンプモータ２４の駆動軸には電動モータジェネレータ２３が連結され、該電動モータジェネレータ２３はインバータを備えた制御部２５を介してバッテリ２６に接続されている。

図示したように、前記切換弁２７の中立位置（イ）では、ブームシリンダ１８のボトム側１８ａのＢポート及びトップ側１８ｂのＴポートがブロックされるとともに、Ｐ１ポート、Ｐ２ポート、Ｔｎポートの各ポートもブロックされている。

ここで、操作レバーなどの操作手段（図示せず）によって、前記切換弁２７の伸び側ポート２７ａに伸長操作信号が入力されると、前記切換弁２７は伸び位置（ロ）に切り換わり、Ｐ１ポートはブロックされ、Ｐ２ポートとＢポート、ＴｎポートとＴポートが夫々連通する。即ち、ブームシリンダ１８のボトム側１８ａが両方向ポンプモータ２４に接続され、ブームシリンダ１８のトップ側１８ｂがタンク２８に接続される。

然るときは、制御部２５の制御により前記バッテリ２６に蓄えられている電力を電動モータジェネレータ２３へ供給し、該電動モータジェネレータ２３を電動機として動作させて両方向ポンプモータ２４を一方向へ駆動すれば、両方向ポンプモータ２４から吐出される圧油が切換弁２７の伸び位置（ロ）を介してブームシリンダ１８のボトム側１８ａへ供給されるとともに、ブームシリンダ１８のトップ側１８ｂの圧油がタンク２８に戻されて、ブームシリンダ１８が伸長動作する。ブームシリンダ１８の伸長は両方向ポンプモータ２４の単独駆動によって行われるため、動力損失の少ない駆動ができ、他の油圧アクチュエータとの複合操作においても、相互にアクチュエータの独立性が高まって省エネルギーとなる。

一方、操作手段によって前記切換弁２７の縮み側ポート２７ｂに収縮操作信号が入力されると、前記切換弁２７は縮み位置（ハ）に切り換わり、Ｔｎポートはブロックされ、Ｐ１ポートとＴポート、Ｐ２ポートとＢポートが夫々連通する。即ち、ブームシリンダ１８のボトム側１８ａが両方向ポンプモータ２４に接続され、ブームシリンダ１８のトップ側１８ｂが油圧ポンプ２２に接続される。

然るときは、油圧ポンプ２２から吐出される圧油が切換弁２７の縮み位置（ハ）を介してブームシリンダ１８のトップ側１８ｂへ供給されるとともに、ブームシリンダ１８のボトム側１８ａの保持圧を油圧源として両方向ポンプモータ２４が前述とは逆の他方向へ回転する。そして、両方向ポンプモータ２４の押除容積、保持圧、回転数の積がパワーとなり、該両方向ポンプモータ２４の駆動軸に連結された前記電動モータジェネレータ２３が発電機として駆動され、電力に回生されてバッテリ２６に蓄えられる。ブームシリンダ１８の動作速度は、操作手段の操作量に応じて滑らかに変化するように回転数が制御される。

このように、前記切換弁２７の操作時には伸長または収縮何れの場合でも、ブームシリンダ１８のボトム側１８ａが常に両方向ポンプモータ２４に接続される。これに対して、ブームシリンダ１８のトップ側１８ｂは、伸長操作信号でタンク２８に連通し、収縮操作信号で油圧ポンプ２２へ接続される。

図３（ａ）に示すように、前記切換弁２７は操作量が微小な領域では開口面積が微小であり、操作量の増加に対して開口面積は僅かずつ拡大するように形成されている。従って、両方向ポンプモータ２４が回転制御されず、両方向ポンプモータ２４の内部リークの影響を受けずにブームシリンダ１８を制御することができる。そして、切換弁２７の操作量が一定値を超えたときは開口面積が急速に拡大して最大開口面積となるように構成されているため、両方向ポンプモータ２４が操作量に応じて回転制御され、操作量に対するブームシリンダ１８の応答性を向上させることができる。

また、図３（ｂ）に示すように、前記切換弁２７は操作量が微小な領域では流量が微小であるので、ブームシリンダ１８の動作速度は緩慢に増速される。そして、切換弁２７の操作量が一定値を超えると開口面積が急速に拡大され、流量が急増するのでブームシリンダ１８の動作速度が急激に上昇する。

ここで、前記切換弁２７が伸長操作されたときに操作量が微小であるときは、前記制御部２５は両方向ポンプモータ２４の吐出圧をブームシリンダ１８の保持圧以上とするように制御する。これは、両方向ポンプモータ２４の回転が小さい場合は流量が内部ドレンとしてタンク２８へ流出し、このため、両方向ポンプモータ２４の吐出圧が低下してブームシリンダ１８の保持圧を維持できなくなることがある。これを防止するために、前記切換弁１８の伸長操作量が微小であるときは、両方向ポンプモータ２４の吐出圧をブームシリンダ１８の保持圧以上にすることにより、メータイン制御となってブームシリンダ１８の微小な操作が可能となる。

図４は変形例を示し、図２と異なる点は、ブームシリンダ１８のボトム側１８ａと切換弁２７との間に圧力センサ３０を設けるとともに、保持弁３１を介装してある。該保持弁３１はブームシリンダ１８のボトム側１８ａから切換弁２７への流れを阻止するように構成されている。また、切換弁２７の中立位置（イ）ではＰ２ポートとＴｎポートとを連通し、両方向ポンプモータとタンクが連通されている。

前記圧力センサ３０はブームシリンダ１８の保持圧を検出し、検出された保持圧は制御部２５へ入力される。制御部２５はこの入力圧に基づき、前記両方向ポンプモータ２４の吐出圧を制御する。従って、前記切換弁２７の開口前後の圧力差が常に一定となるように制御することができ、特に微小流量での正確な制御が可能となる。

或いは、切換弁２７の開口前後の差圧を検出する差圧センサ（図示せず）を設け、該差圧センサが検出した差圧を制御部２５へ入力し、制御部２５はこの入力圧に基づき、前記両方向ポンプモータ２４の吐出圧を制御するように構成することもできる。斯かる構成の場合も、前述と同様に、前記切換弁２７の開口前後の圧力差が常に一定となるように制御することができ、特に微小流量での正確な制御が可能となる。

ここで、操作手段によって前記切換弁２７の伸び側ポート２７ａに伸長操作信号が入力されると、前記切換弁２７は伸び位置（ロ）に切り換わり、ブームシリンダ１８のボトム側１８ａが両方向ポンプモータ２４に接続され、ブームシリンダ１８のトップ側１８ｂがタンク２８に接続される。然るときは、前述したように、電動モータジェネレータ２３により両方向ポンプモータ２４が駆動されて、圧油が切換弁２７の伸び位置（ロ）を介してＰ２ポートからＢポートへ導出され、この圧油が前記保持弁３１を開いてブームシリンダ１８のボトム側１８ａへ供給されるとともに、ブームシリンダ１８のトップ側１８ｂの圧油がＴポートからＴｎポートへ導出されてタンク２８に戻り、ブームシリンダ１８が伸長動作する。

一方、操作手段によって前記切換弁２７の縮み側ポート２７ｂに収縮操作信号が入力されると、前記切換弁２７は縮み位置（ハ）に切り換わり、ブームシリンダ１８のボトム側１８ａが両方向ポンプモータ２４に接続され、ブームシリンダ１８のトップ側１８ｂが油圧ポンプ２２に接続される。然るときは、前述したように、油圧ポンプ２２の圧油が切換弁２７の縮み位置（ハ）を介してブームシリンダ１８のトップ側１８ｂへ供給されるとともに、収縮操作信号により前記保持弁３１が開放され、ブームシリンダ１８のボトム側１８ａから切換弁２７への流れを許容する。そして、ボトム側１８ａからの圧油によって両方向ポンプモータ２４が回転し、前記電動モータジェネレータ２３が発電機として駆動され、電力に回生されてバッテリ２６に蓄えられる。

このように、前記切換弁２７とブームシリンダ１８のボトム側１８ａとの間に保持弁３１を設けたので、切換弁２７からリークする圧油が最小限となるように抑止することができる。ブームシリンダ１８の伸長操作時はロードチェック弁としても作用し、負荷によってブームシリンダ１８が収縮方向へ押し戻されるのを防止することができる。ブームシリンダ１８の収縮操作時は切換弁２７が開口する前に保持弁３１が開口し、ブームシリンダ１８のボトム側１８ａから排出される圧油が保持弁３１を通り、前記両方向ポンプモータ２４に供給されて電力回生が行われる。

また、前記切換弁２７が中立位置（イ）のときは両方向ポンプモータ２４とタンク２８とを連通するので、操作急停止などで両方向ポンプモータ２４の応答が遅れて切換弁２７が中立位置に戻った場合でも、両方向ポンプモータ２４が回転しているときの流量を確保して、異常な高圧の発生を防止することができる。また、ブームシリンダ１８の伸長操作時においては、スタンバイ流量を増加して応答性を向上させることも可能となる。

図５は他の変形例を示し、図２と異なる点は、切換弁の伸び位置（ロ）において、Ｐ１ポートとＰ２ポートが連通してＢポートに接続されている。前記切換弁の縮み位置（ハ）において、ＢポートとＴポートがＴポートからの流れを阻止するチェック弁３２を介して接続されるとともに、ＢポートとＴｎポートが絞り３３を介して接続されている。また、電動モータジェネレータ２３と両方向ポンプモータ２４との間に変速機３４を介装してある。

ここで、操作手段によって前記切換弁２７の伸び側ポート２７ａに伸長操作信号が入力されると、前記切換弁２７は伸び位置（ロ）に切り換わり、ブームシリンダ１８のボトム側１８ａが油圧ポンプ２２と両方向ポンプモータ２４の双方に接続され、ブームシリンダ１８のトップ側１８ｂがタンク２８に接続される。

然るときは、油圧ポンプ２２から吐出された圧油と両方向ポンプモータ２４から吐出された圧油が合流してブームシリンダ１８のボトム側１８ａへ供給されるとともに、ブームシリンダ１８のトップ側１８ｂの圧油がタンク２８に戻されて、ブームシリンダ１８が伸長動作する。前記ブームシリンダ１８のボトム側１８ａには油圧ポンプ２２と両方向ポンプモータ２４との双方から圧油が供給されるため、流量が増加してブームシリンダ１８の動作速度を増速することができる。

一方、操作手段によって前記切換弁２７の縮み側ポート２７ｂに収縮操作信号が入力されると、前記切換弁２７は縮み位置（ハ）に切り換わり、ブームシリンダ１８のボトム側１８ａが両方向ポンプモータ２４に接続されるとともに、該ブームシリンダ１８のボトム側１８ａが絞り３３を介してタンク２８に連通する。また、ブームシリンダ１８のトップ側１８ｂは油圧ポンプ２２に接続される。

然るときは、油圧ポンプ２２の圧油が切換弁２７の縮み位置（ハ）を介してブームシリンダ１８のトップ側１８ｂへ供給される。このとき、チェック弁３２によりブームシリンダ１８のトップ側１８ｂからボトム側１８ａへの流れが阻止される。また、ブームシリンダ１８のボトム側１８ａの圧油は両方向ポンプモータ２４へ供給されるとともに、絞り３３を介してタンク２８に戻される。従って、両方向ポンプモータ２４が回転して前記電動モータジェネレータ２３が発電機として駆動され、電力に回生されてバッテリ２６に蓄えられる。また、絞り３３により背圧がかかってメータアウト制御が行われるので、負荷変動に対してブームシリンダ１８の動作を安定させることができる。

ここで、前記電動モータジェネレータ２３と両方向ポンプモータ２４との間に変速機３４を介装してあるので、電動モータジェネレータ２３を高速運転して変速機３４で減速することにより、高速化による電動モータジェネレータ２３の小型化並びに高効率化を図ることができる。また、高速化が困難である両方向ポンプモータ２４は変速機３４によって適正な回転で駆動されるので、両方向ポンプモータ２４の寿命を長くすることができる。

尚、前記両方向ポンプモータは可変容量式であるので、吐出量とトルクを変更することができ、ブームシリンダ１８の保持圧が高いときは吐出量を減少させ、電動モータジェネレータのオーバートルクを防止することができ、ブームシリンダ１８の保持圧が低いときは吐出量が増え、シリンダの速度をアップすることができる。一方、固定容量式では、ブームシリンダ１８の保持圧が最大のときに電動モータジェネレータがオーバートルクとならない吐出量にする必要があり、シリンダの速度を上げるのは両方向ポンプモータの回転数アップであり、制約がある。

図６は切換弁２７の操作量とブームシリンダ１８のシリンダ動作速度の関係を示し、実線で示された切換弁２７の操作量に対して、両方向ポンプモータ２４の流量制御動特性に遅れが生じるように流量制御するため、点線で示されたブームシリンダ１８の動作速度の上昇が遅れを生じている。

従って、前記切換弁２７を急速に操作した場合、操作開始時は操作に追従して両方向ポンプモータ２４の流量が急速に増加するため、ブームシリンダ１８の動作速度に遅れがなく、その後は、両方向ポンプモータ２４の流量増加に遅れが生じるため、ブームシリンダ１８の動作速度が円滑に加速されてショックの少ない加減速が行われる。このように、操作量に対して遅れが生じるように制御するので、急操作時の場合、動き始めは応答性が俊敏であり、その後は加速を滑らかにすることにより、ショックの少ない加減速が可能となって操作性の向上に寄与できる。

尚、本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り種々の改変を為すことができ、そして、本発明が該改変されたものに及ぶことは当然である。

本発明が適用された油圧ショベルの側面図。 本発明に係る一例としてのブームシリンダの駆動回路図。 （ａ）図２の切換弁の操作量と開口面積の関係を示すグラフ、（ｂ）図２の切換弁の操作量とブームシリンダの動作速度の関係を示すグラフ。 本発明に係る変形例としてのブームシリンダの駆動回路図。 本発明に係る他の変形例としてのブームシリンダの駆動回路図。 本発明に係る切換弁の操作量とシリンダ動作速度の経時的関係を示す図。

符号の説明

１０ 油圧ショベル
１８ ブームシリンダ
２２ 油圧ポンプ
２３ 電動モータジェネレータ
２４ 両方向ポンプモータ
２５ 制御部
２６ バッテリ
２７ 切換弁
２８ タンク
３０ 圧力センサ
３１ 保持弁
３２ チェック弁
３３ 絞り
３４ 変速機

Claims (10)

1. 作業機を駆動する油圧シリンダと、該油圧シリンダへ圧油を供給する油圧ポンプと、油圧ポンプからの圧油の方向を切り換える切換弁を備えた建設機械の油圧回路において、
   前記切換弁には、前記油圧ポンプとは別の入力ポートに電動モータジェネレータによって駆動される両方向ポンプモータを接続し、
   前記切換弁の操作時に油圧シリンダのボトム側が常に前記両方向ポンプモータに接続され、油圧シリンダのトップ側は前記油圧シリンダの伸長操作信号でタンクポートへ連通され、一方、油圧シリンダの収縮操作信号で前記油圧ポンプへ接続され、更に、前記切換弁中立位置では油圧シリンダがブロックされるように構成したことを特徴とする建設機械の油圧シリンダ電動装置。
2. 上記切換弁の操作量が小さいときは切換弁の開口面積を微小とし、切換弁の操作量の増加に伴い急速に最大開口面積となるように構成した請求項１記載の建設機械の油圧シリンダ電動装置。
3. 上記切換弁の油圧シリンダ伸長操作量が微小であるときは、上記両方向ポンプモータの吐出圧を上記油圧シリンダの保持圧以上にする制御部を備えた請求項１または２記載の建設機械の油圧シリンダ電動装置。
4. 上記油圧シリンダの保持圧または上記切換弁の開口前後の差圧を入力圧とし、この入力圧に基づき上記両方向ポンプモータの吐出圧を一定の差圧となるように流量制御する制御部を備えた請求項１，２または３記載の建設機械の油圧シリンダ電動装置。
5. 上記切換弁と油圧シリンダのボトム側との間に保持弁を設け、油圧シリンダの収縮操作信号により切換弁が開口する前に前記保持弁が開口するように構成した請求項１，２，３または４記載の建設機械の油圧シリンダ電動装置。
6. 上記切換弁の中立位置では上記両方向ポンプモータとタンクとを連通した請求項１，２，３，４または５記載の建設機械の油圧シリンダ電動装置。
7. 上記切換弁は、油圧シリンダの収縮操作信号で油圧シリンダのトップ側とボトム側がトップ側からの流れを阻止するチェック弁を介して接続されるとともに、油圧シリンダのボトム側とタンクポートが絞りを介して接続され、一方、油圧シリンダの伸長操作信号で上記油圧シリンダのボトム側と油圧ポンプ並びに両方向ポンプモータを接続するように構成した請求項１，２，３，４，５または６記載の建設機械の油圧シリンダ電動装置。
8. 上記両方向ポンプモータと電動モータジェネレータとの間に変速機を介装した請求項１，２，３，４，５，６または７記載の建設機械の油圧シリンダ電動装置。
9. 上記両方向ポンプモータは可変容量式である請求項１，２，３，４，５，６，７または８記載の建設機械の油圧シリンダ電動装置。
10. 上記切換弁の操作量に対して上記両方向ポンプモータの流量制御動特性に遅れが生じるように流量制御する制御部を備えた請求項１，２，３，４，５，６，７，８または９記載の建設機械の油圧シリンダ電動装置。

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