JP2012026180A - ハイブリッド式建設機械 - Google Patents

Abstract

【課題】旋回体の駆動に電動モータを用いたハイブリッド式建設機械において、蓄電デバイスのエネルギ不足や過充電状態等の理由で電動モータのトルクが発生できない事態が発生することを抑止できるハイブリッド式建設機械を提供する。
【解決手段】ハイブリッド式建設機械において、電動モータ２５と油圧モータ２７の両方を駆動して、旋回体２０の駆動を行う油圧電動複合旋回モードと、油圧モータ２７のみを駆動して、旋回体２０の駆動を行う油圧単独旋回モードとの切替を指令する手動式の旋回モード切替スイッチ７７を備える。通常作業時、油圧電動複合旋回モードが初期設定されている。特定作業時、オペレータは旋回モード切替スイッチ７７を油圧電動複合旋回位置から油圧単独旋回に切替える。入力制御ブロック８６は指令信号を制御切替ブロック８５に出力し、制御切替ブロック８５は油圧単独旋回制御ブロック８４を選択する。
【選択図】図３

Description

本発明はハイブリッド式建設機械に係わり、特に、油圧ショベル等の旋回体を有するハイブリッド式建設機械に関する。

例えば油圧ショベルのような建設機械においては、動力源として、ガソリン、軽油等の燃料を用い、エンジンによって油圧ポンプを駆動して油圧を発生することにより油圧モータ、油圧シリンダといった油圧アクチュエータを駆動する。油圧アクチュエータは、小型軽量で大出力が可能であり、建設機械のアクチュエータとして広く用いられている。

一方で、近年、電動モータ及び蓄電デバイス（バッテリや電気二重層キャパシタ等）を用いることにより、油圧アクチュエータのみを用いた従来の建設機械よりエネルギ効率を高め、省エネルギ化を図った建設機械が提案されている（特許文献１）。

電動モータ（電動アクチュエータ）は油圧アクチュエータに比べてエネルギ効率が良い、制動時の運動エネルギを電気エネルギとして回生できる（油圧アクチュエータの場合は熱にして放出）といった、エネルギ的に優れた特徴がある。

例えば、特許文献１に示される従来技術では、旋回体の駆動アクチュエータとして電動モータを搭載した油圧ショベルの実施の形態が示されている。油圧ショベルの上部旋回体を下部走行体に対して旋回駆動するアクチュエータ（従来は油圧モータを使用）は、使用頻度が高く、作業において起動停止、加速減速を頻繁に繰り返す。

このとき、減速時（制動時）における旋回体の運動エネルギは、油圧アクチュエータの場合は油圧回路上で熱として捨てられるが、電動モータの場合は電気エネルギとしての回生が見込めることから、省エネルギ化が図れる。

また、油圧モータと電動モータを両方搭載し、合計トルクにより旋回体を駆動する建設機械が提案されている（特許文献２及び特許文献３）。

特許文献２では、旋回体駆動用油圧モータに電動モータが直結され、操作レバーの操作量によってコントローラが電動モータに出力トルクを指令する油圧建設機械のエネルギ回生装置が開示されている。減速（制動）時においては、電動モータが旋回体の運動エネルギを回生し、電気エネルギとしてバッテリに蓄電する。

特許文献３では、旋回駆動用油圧モータのイン側とアウト側の差圧を用いて、電動モータへのトルク指令値を算出し、油圧モータと電動モータとの出力トルク配分を行うハイブリッド型建設機械が開示されている。

特許文献２及び３の従来技術は、いずれも、旋回駆動用アクチュエータとして、電動モータと油圧モータを併用することによって、従来の油圧アクチュエータ駆動の建設機械に慣れたオペレータにも違和感なく操作できると共に、簡単かつ実用化が容易な構成で省エネルギ化を図っている。

特許第3647319号公報 特許第4024120号公報 特開2008-63888号公報

特許文献１記載のハイブリッド式油圧ショベルでは、減速時（制動時）における旋回体の運動エネルギは、電動モータによって電気エネルギとして回生されるため、省エネルギの観点から効果的である。

しかし、電動モータは油圧モータとは異なる特性を持っているため、建設機械の旋回体の駆動に電動モータを用いると、以下のような問題を生じる。

（１）電動モータの速度フィードバック制御不良等によるハンチング（特に低速域、停止状態）。

（２）油圧モータとの特性の違いによる操作上の違和感。

（３）モータが回転しない状態でトルクを連続出力する作業（例えば、押し当て作業）におけるモータやインバータの過熱。

（４）油圧モータ相当の出力を保証する電動モータを使用すると外形が大きくなりすぎる、あるいはコストが著しく高くなる。

特許文献２及び３記載のハイブリッド式油圧ショベルでは、油圧モータと電動モータを両方搭載し、合計トルクにより旋回体を駆動することにより上記の問題を解決し、従来の油圧アクチュエータ駆動の建設機械に慣れたオペレータにも違和感なく操作できると共に、簡単かつ実用化が容易な構成で省エネルギ化を図っている。

しかし、上述した特許文献１〜３記載の先行技術いずれにおいても、旋回駆動に要する全体トルクのうち、電動モータが一定のトルクを受け持っているために、インバータ、モータ等の電気系の故障、異常や、蓄電デバイスのエネルギ不足や過充電状態等、何らかの理由で電動モータのトルクが発生できない場合、旋回体を駆動するための全体トルクが不足し、正常時と同じように起動・停止することができなくなるという課題がある。

例えば旋回体の速度が高く運動エネルギが大きい状態において突然異常が起きた場合は、電動モータがフリーラン状態となり、特許文献１の先行技術では停止できなくなるし、特許文献２および３の先行技術では、停止距離、停止時間が正常状態より伸びることになるため、安全上の問題が発生する可能性がある。

このような、蓄電デバイスのエネルギ不足や過充電状態は、特定の作業中に生じやすい。

蓄電デバイスのエネルギ不足は、旋回体の駆動のために電動モータが必要とするエネルギに対して制動時に回収できるエネルギが少ない作業が続いた場合に発生する。例えば、フロントアタッチメントとして小割機をつけておこなう作業は、フロントアタッチメントが重いため、旋回の駆動に必要なエネルギが多いが、作業中の旋回速度は遅く運動エネルギは小さいため、制動時に蓄電デバイスに回収することができるエネルギは少ない。小割作業が続くと蓄電デバイスのエネルギ不足が生じる。

蓄電デバイスの過充電状態は、旋回体の駆動のために電動モータが必要とするエネルギに対して制動時に回収できるエネルギが多い作業が続いた場合に発生する。例えば、斜面の上方で荷をすくい、斜面の下方で荷を降ろすような作業が考えられる。このような作業は旋回の駆動に必要なエネルギ、つまり蓄電デバイスから消費されるエネルギは少ないが、制動に必要なエネルギ、つまり蓄電デバイスに蓄えられるエネルギは多い。旋回荷降し作業が続くと蓄電デバイスの過充電状態が生じる。

本発明の目的は、旋回体の駆動に電動モータを用いたハイブリッド式建設機械において、蓄電デバイスのエネルギ不足や過充電状態等の理由で電動モータのトルクが発生できない事態が発生することを抑止できるハイブリッド式建設機械を提供することである。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、原動機と、前記原動機により駆動される油圧ポンプと、旋回体と、前記旋回体駆動用の電動モータと、前記油圧ポンプにより駆動される前記旋回体駆動用の油圧モータと、前記電動モータに接続された蓄電デバイスと、前記旋回体の駆動を指令する旋回用の操作レバー装置と、前記旋回用の操作レバー装置が操作されたときに前記電動モータと前記油圧モータの両方を駆動して、前記電動モータと前記油圧モータのトルクの合計で前記旋回体の駆動を行う油圧電動複合旋回モードと、前記旋回用の操作レバー装置が操作されたときに前記油圧モータのみを駆動して、前記油圧モータのみのトルクで前記旋回体の駆動を行う油圧単独旋回モードとの切替を指令する手動式の旋回モード切替指令手段と、油圧電動複合旋回モード制御を行う油圧電動複合旋回制御部と、油圧単独旋回モード制御を行う油圧単独旋回制御部と、前記旋回モード切替指令手段からの切替指令に基づいて油圧電動複合旋回モードと油圧単独旋回モードとの切替えを行う旋回モード切替部とを有する制御装置とを備える。

本発明においては、旋回体の駆動用として、油圧モータと電動モータの両方を備え、制御装置は、手動式の旋回モード切替指令手段からの切替指令に基づいて油圧モータと電動モータの両方を駆動して旋回体を駆動する油圧電動複合旋回モードと、油圧モータのみを駆動して旋回体を駆動する油圧単独旋回モードとの切替えを行う。

蓄電デバイスに係る問題が発生しやすい特定作業は予め想定できる。特定作業の前に、油圧電動複合旋回モードから油圧単独旋回モードに切替え、固定することにより、蓄電デバイスに係る問題発生を抑止できる。

（２）上記（１）において、好ましくは、更に、運転室に設けられた切替スイッチを備え、前記制御装置は、更に、この切替スイッチからの指令を入力する入力制御部を有し、前記旋回モード切替指令手段は、前記切替スイッチと前記制御装置の入力制御部とである。

これにより、制御装置は、切替スイッチからの切替指令に基づいて油圧電動複合旋回モードと油圧単独旋回モードとの切替えを行う。

（３）上記（２）において、好ましくは、更に、表示装置を備え、前記制御装置は、更に、旋回モード切替部の処理に基づいて切替えた旋回モードを前記表示装置に表示する表示制御部を有する。

これにより、オペレータは、選択された旋回モードを認識でき、切替スイッチの設定し忘れや戻し忘れを防止できる。

（４）上記（１）において、好ましくは、更に、操作入力部を有する表示装置を備え、前記制御装置は、更に、前記表示装置に旋回モード選択画面を表示する表示制御部と、この旋回モード選択画面において前記操作入力部を介して選択した旋回モードを入力する入力制御部とを有し、前記旋回モード切替指令手段は、前記表示装置に表示される旋回モード選択画面と前記表示装置の操作入力部と前記制御装置の入力制御部とである。

これにより、制御装置は、表示装置をGUIとした切替指令に基づいて油圧電動複合旋回モードと油圧単独旋回モードとの切替えを行う。

（５）上記（４）において、好ましくは、前記表示制御部は、旋回モード切替部の処理に基づいて切替えた旋回モードを前記表示装置に表示する。

これにより、オペレータは、選択された旋回モードを認識でき、切替スイッチの設定し忘れや戻し忘れを防止できる。

（６）上記（１）において、好ましくは、更に、前記制御装置の一部である作業モード選択部を含む作業モード選択手段を備え、前記旋回モード切替指令手段は、前記作業モード選択部である。

これにより、制御装置は、作業モード選択に伴い自動的に出力される切替指令に基づいて油圧電動複合旋回モードと油圧単独旋回モードとの切替えを行う。

（７）上記（１）において、好ましくは、前記制御装置は、更に外部端末との入出力をおこなう外部端末通信部を有し、前記旋回モード切替指令手段は、外部端末と前記制御装置の外部端末通信部とである。

これにより、制御装置は、外部端末からの切替指令に基づいて油圧電動複合旋回モードと油圧単独旋回モードとの切替えを行う。

（８）上記（２）、（４）（６）において、好ましくは、前記制御装置は、更に外部端末との入出力をおこなう外部端末通信部を有し、
前記外部端末通信部を介し、前記旋回モード切替指令手段からの指令を無効にするとともに、油圧電動複合旋回モードと油圧単独旋回モードとの切替を指令する第２旋回モード切替指令手段を更に備える。

これにより、制御装置は、旋回モード切替指令手段からの切替指令と第２旋回モード切替指令手段からの切替指令とのいずれか一方の切替指令に基づいて油圧電動複合旋回モードと油圧単独旋回モードとの切替えを行う。

本発明によれば、蓄電デバイスのエネルギ不足や過充電状態が生じやすい特定の作業時に、油圧モータと電動モータの両方のトルクで旋回駆動するモード（油圧電動複合旋回モード）から油圧モータ単独で旋回駆動するモード（油圧単独旋回モード）に切換えることにより、油圧モータ単独によって作業を継続することができるとともに、蓄電デバイスのエネルギ不足や過充電状態等の理由で電動モータのトルクが発生できない事態が発生することを抑止できる。また、通常作業時には、油圧電動複合旋回モードにより省エネルギ化を実現することができる。

本発明の第１の実施の形態によるハイブリッド式油圧ショベルの側面図である。 本発明の第１の実施の形態によるハイブリッド式油圧ショベルの主要電動・油圧機器のシステム構成図である。 本発明の第１の実施の形態によるハイブリッド式油圧ショベルのシステム構成及び制御ブロック図である。 本発明の第１の実施の形態における旋回油圧システムの構成を示す図である。 本発明の第１の実施の形態における油圧ポンプのトルク制御特性を示す図である。 本発明の第１の実施の形態における旋回用スプールのメータイン開口面積特性及びブリードオフ開口面積特性を示す図である。 本発明の第１の実施の形態における旋回用スプールのメータアウト開口面積特性を示す図である。 本発明の第１の実施の形態における油圧パイロット信号（操作パイロット圧）に対する旋回用スプール６１のメータイン絞りとセンタバイパスカット弁６３との合成開口面積特性を示す図である。 本発明の第１の実施の形態における油圧電動複合旋回モードでの旋回駆動時における油圧パイロット信号（パイロット圧）、メータイン圧力（Ｍ／Ｉ圧）、旋回電動モータのアシストトルク、上部旋回体の回転速度（旋回速度）の時系列波形を示す図である。 本発明の第１の実施の形態における油圧パイロット信号（操作パイロット圧）に対する旋回用スプール６１のメータアウト開口面積特性を示す図である。 本発明の第１の実施の形態における油圧電動複合旋回モードでの旋回制動停止時における油圧パイロット信号（パイロット圧）、メータアウト圧力（Ｍ／Ｏ圧）、旋回電動モータのアシストトルク、上部旋回体の回転速度（旋回速度）の時系列波形を示す図である。 本発明の第１の実施の形態における旋回用の可変オーバーロードリリーフ弁のリリーフ圧特性を示す図である。 本発明の第１の実施の形態特有の構成である旋回モード切替スイッチ７７の詳細を示す図である。 入力制御ブロック８６の制御フローを示す図である。 モニタ装置１５０の通常表示画面１６０である。 本発明の第２の実施の形態によるハイブリッド式油圧ショベルのシステム構成及び制御ブロック図である。 モニタ装置１５０に表示される各画面の階層構造を示す図である。 モニタ装置１５０に表示されるメインメニュー画面１６１である。 モニタ装置１５０に表示される設定メニュー画面１６２である。 モニタ装置１５０に表示される旋回モード設定画面１６３である。 モニタ装置１５０に表示される油圧単独旋回モード確認画面１６５である。 本発明の第３の実施の形態によるハイブリッド式油圧ショベルのシステム構成及び制御ブロック図である。 モニタ装置１５０に表示される作業モード選択画面１６６である。 モニタ装置１５０に表示されるモード選択確認画面１６７，１６８である。 モニタ装置１５０の通常表示画面１６０である。 本発明の第４の実施の形態によるハイブリッド式油圧ショベルのシステム構成及び制御ブロック図である。 本発明の第５の実施の形態によるハイブリッド式油圧ショベルのシステム構成及び制御ブロック図である。

以下、建設機械として油圧ショベルを例にとって本発明の実施の形態を説明する。なお、本発明は、旋回体を備えた建設機械全般（作業機械を含む）に適用が可能であり、本発明の適用は油圧ショベルに限定されるものではない。例えば、本発明は旋回体を備えたクレーン車等、その他の建設機械にも適用可能である。

＜第１の実施の形態＞
本発明の第１の実施の形態によるハイブリッド式油圧ショベルの側面図を図１に示す。

図１において、ハイブリッド式油圧ショベルは下部走行体１０、上部走行体２０及びショベル機構３０を備えている。

下部走行体１０は、一対のクローラ１１ａ，１１ｂ及びクローラフレーム１２ａ，１２ｂ（図１では片側のみを示す）、各クローラ１１ａ，１１ｂを独立して駆動制御する一対の走行用油圧モータ１３、１４及びその減速機構等で構成されている。

上部旋回体２０は、旋回フレーム２１と、旋回フレーム２１上に設けられた、原動機としてのエンジン２２と、エンジン２２により駆動されるアシスト発電モータ２３と、旋回用電動モータ２５及び旋回用油圧モータ２７と、アシスト発電モータ２３及び旋回用電動モータ２５に接続される電気二重層キャパシタ２４と、旋回用電動モータ２５と旋回用油圧モータ２７の回転を減速する減速機構２６等から構成され、旋回用電動モータ２５と旋回用油圧モータ２７の駆動力が減速機構２６を介して伝達され、その駆動力により下部走行体１０に対して上部旋回体２０（旋回フレーム２１）を旋回駆動させる。

また、上部旋回体２０にはショベル機構（フロント装置）３０が搭載されている。ショベル機構３０は、ブーム３１と、ブーム３１を駆動するためのブームシリンダ３２と、ブーム３１の先端部近傍に回転自在に軸支されたアーム３３と、アーム３３を駆動するためのアームシリンダ３４と、アーム３３の先端に回転可能に軸支されたバケット３５と、バケット３５を駆動するためのバケットシリンダ３６等で構成されている。

さらに、上部旋回体２０の旋回フレーム２１上には、上述した走行用油圧モータ１３，１４、旋回用油圧モータ２７、ブームシリンダ３２、アームシリンダ３４、バケットシリンダ３６等の油圧アクチュエータを駆動するための油圧システム４０が搭載されている。油圧システム４０は、油圧を発生する油圧源となる油圧ポンプ４１（図２）及び各アクチュエータを駆動制御するためのコントロールバルブ４２（図２）を含み、油圧ポンプ４１はエンジン２２によって駆動される。

油圧ショベルの主要電動・油圧機器のシステム構成を図２に示す。図２に示すように、エンジン２２の駆動力は油圧ポンプ４１に伝達される。コントロールバルブ４２は、旋回用の操作レバー装置７２（図３参照）からの旋回操作指令（油圧パイロット信号）に応じて、旋回用油圧モータ２７に供給される圧油の流量と方向を制御する。またコントロールバルブ４２は、旋回以外の操作レバー装置７３（図３参照）からの操作指令（油圧パイロット信号）に応じて、ブームシリンダ３２、アームシリンダ３４、バケットシリンダ３６及び走行用油圧モータ１３，１４に供給される圧油の流量と方向を制御する。

電動システムは、上述したアシスト発電モータ２３、キャパシタ２４及び旋回用電動モータ２５と、パワーコントロールユニット５５及びメインコンタクタ５６等から構成されている。パワーコントロールユニット５５はチョッパ５１、インバータ５２，５３、平滑コンデンサ５４等を有し、メインコンタクタ５６はメインリレー５７、突入電流防止回路５８等を有している。

キャパシタ２４からの直流電力はチョッパ５１によって所定の母線電圧に昇圧され、旋回電動モータ２５を駆動するためのインバータ５２、アシスト発電モータ２３を駆動するためのインバータ５３に入力される。平滑コンデンサ５４は、母線電圧を安定化させるために設けられている。旋回電動モータ２５と旋回用油圧モータ２７の回転軸は結合されており、減速機構２６を介して上部旋回体２０を駆動する。アシスト発電モータ２３及び旋回電動モータ２５の駆動状態（力行しているか回生しているか）によって、キャパシタ２４は充放電されることになる。

コントローラ８０は、旋回操作指令信号や、圧力信号及び回転速度信号等（後述）を用いて、コントロールバルブ４２、パワーコントロールユニット５５に対する制御指令を生成し、油圧単独旋回モード、油圧電動複合旋回モードの切り替え、各モードの旋回制御、電動システムの異常監視、エネルギマネジメント等の制御を行う。

油圧ショベルのシステム構成及び制御ブロック図を図３に示す。図３に示す電動・油圧機器のシステム構成は基本的に図２と同じであるが、本発明による旋回制御を行うのに必要なデバイスや制御手段、制御信号等を詳細に示している。

油圧ショベルは、エンジン２２を始動するためのイグニッションキー７０と、作業中止時にパイロット圧遮断弁７６をＯＮにして油圧システムの作動を不能とするゲートロックレバー装置７１とを備えている。また、油圧ショベルは、上述したコントローラ８０と、コントローラ８０の入出力に係わる油圧・電気変換装置７４ａ，７４ｂＬ，７４ｂＲ、電気・油圧変換装置７５ａ，７５ｂ，７５ｃ，７５ｄ及び旋回モード切替スイッチ７７を備え、これらは旋回制御システムを構成する。油圧・電気変換装置７４ａ，７４ｂＬ，７４ｂＲはそれぞれ例えば圧力センサであり、電気・油圧変換装置７５ａ，７５ｂ，７５ｃ，７５ｄは例えば電磁比例減圧弁である。

コントローラ８０は、異常監視・異常処理制御ブロック８１、エネルギマネジメント制御ブロック８２、油圧電動複合旋回制御ブロック８３、油圧単独旋回制御ブロック８４、制御切替ブロック８５、入力制御ブロック８６、表示制御ブロック８７等からなる。

通常作業時、全体システムに異常がなく、旋回電動モータ２５が駆動可能な状態では、コントローラ８０は油圧電動複合旋回モードを選択する。このとき制御切替ブロック８５は油圧電動複合旋回制御ブロック８３を選択しており、油圧電動複合旋回制御ブロック８３によって旋回アクチュエータ動作が制御される。旋回操作レバー装置７２の入力によって発生される油圧パイロット信号は油圧・電気変換装置７４ａによって電気信号に変換され、油圧電動複合旋回制御ブロック８３に入力される。旋回油圧モータ２７の作動圧は油圧・電気変換装置７４ｂＬ，７４ｂＲによって電気信号に変換され、油圧電動複合旋回制御ブロック８３に入力される。パワーコントロールユニット５５内の電動モータ駆動用のインバータから出力される旋回モータ速度信号も油圧電動複合旋回制御ブロック８３に入力される。

油圧電動複合旋回制御ブロック８３は、旋回操作レバー装置７２からの油圧パイロット信号と、旋回油圧モータ２７の作動圧信号及び旋回モータ速度信号に基づいて所定の演算を行って旋回電動モータ２５の指令トルクを計算し、パワーコントロールユニット５５にトルク指令ＥＡを出力する。同時に、電動モータ２５が出力するトルク分、油圧ポンプ４１の出力トルク及び油圧モータ２７の出力トルクを減少させる減トルク指令ＥＢ，ＥＣを電気・油圧変換装置７５ａ，７５ｂに出力する。

一方、旋回操作レバー装置７２の入力によって発生される油圧パイロット信号はコントロールバルブ４２にも入力され、旋回モータ用のスプール６１（図４参照）を中立位置から切り換えて油圧ポンプ４１の吐出油を旋回用油圧モータ２７に供給し、油圧モータ２７も同時に駆動する。

電動モータ２５が加速時に消費するエネルギと減速時に回生するエネルギの差によって、キャパシタ２４の蓄電量が増減することになる。これを制御するのがエネルギマネジメント制御ブロック８２であり、アシスト発電モータ２３に発電またはアシスト指令ＥＤを出すことにより、キャパシタ２４の蓄電量を所定の範囲に保つ制御を行う。

パワーコントロールユニット５５、電動モータ２５、キャパシタ２４、パワーコントロールユニット５５等の電動システムに故障、異常、警告状態が発生した場合や、キャパシタ２４の蓄電量が所定の範囲外になった場合や、旋回モード切替スイッチ７７から切替指令があった場合、異常監視・異常処理制御ブロック８１、エネルギマネジメント制御ブロック８２、入力制御ブロック８６が制御切替ブロック８５を切り替えて油圧単独旋回制御ブロック８４を選択し、油圧電動複合旋回モードから油圧単独旋回モードへの切替えを行う。基本的に旋回の油圧システムは、電動モータ２５と協調して動作するようマッチングされているので、油圧単独旋回制御ブロック８４は、旋回駆動特性補正指令ＥＥと旋回パイロット圧補正指令ＥＦをそれぞれ電気・油圧変換装置７５ｃ，７５ｄに出力し、油圧モータ２７の駆動トルクを増加させる補正と油圧モータ２７の制動トルクを増加させる補正を行うことにより、電動モータ２５のトルクが無くても旋回操作性が損なわれないような制御を行う。

旋回油圧システムの詳細を図４に示す。図３と同じ要素には同じ符号を付している。図３のコントロールバルブ４２はアクチュエータごとにスプールと呼ばれる弁部品を備え、操作レバー装置７２，７３からの指令（油圧パイロット信号）に応じて対応するスプールが変位することで開口面積が変化し、各油路を通過する圧油の流量が変化する。図４に示す旋回油圧システムは、旋回用スプールのみを含むものである。

旋回油圧システムは、旋回用油圧モータ２７の最大出力トルクが第１トルクとなる第１モードと、旋回用油圧モータ２７の最大出力トルクが第１トルクより大きな第２トルクとなる第２モードとに変更可能である。以下にその詳細を説明する。

図４において、旋回油圧システムは、前述した油圧ポンプ４１及び旋回用油圧モータ２７と、旋回用スプール６１と、旋回用の可変オーバーロードリリーフ弁６２ａ，６２ｂと、旋回補助弁としてのセンタバイパスカット弁６３とを備えている。

油圧ポンプ４１は可変容量ポンプであり、トルク制御部６４ａを備えたレギュレータ６４を備え、レギュレータ６４を動作させることで油圧ポンプ４１の傾転角が変わって油圧ポンプ４１の容量が変わり、油圧ポンプ４１の吐出流量と出力トルクが変わる。図３の油圧電動複合旋回制御ブロック８３から電気・油圧変換装置７５ａに減トルク指令ＥＢが出力されると、電気・油圧変換装置７５ａは対応する制御圧力をレギュレータ６１のトルク制御部６４ａに出力し、トルク制御部６４ａは、電動モータ２５が出力するトルク分、油圧ポンプ４１の最大出力トルクが減少するようトルク制御部６４ａの設定を変更する。

油圧ポンプ４１のトルク制御特性を図５に示す。横軸は油圧ポンプ４１の吐出圧力、縦軸は油圧ポンプ４１の容量を示している。

油圧電動複合旋回モードが選択され、電気・油圧変換装置７５ａに減トルク指令ＥＢが出力されているときは、電気・油圧変換装置７５ａは制御圧力を発生しており、このとき制御部６４ａの設定は、実線ＰＴSより最大出力トルクが減少した実線ＰＴの特性にある（第１モード）。油圧単独旋回モードが選択され、電気・油圧変換装置７５ａに減トルク指令ＥＢが出力されていないときは、トルク制御部６４ａは実線ＰＴSの特性に変化し（第２モード）、油圧ポンプ４１の最大出力トルクは、斜線で示す面積分、増加する。

図４に戻り、旋回用スプール６１はＡ，Ｂ，Ｃの３位置を持ち、操作レバー装置７２からの旋回操作指令（油圧パイロット信号）を受けて中立位置ＢからＡ位置又はＣ位置に連続的に切り替わる。

操作レバー装置７２はパイロット油圧源２９からの圧力をレバー操作量に応じて減圧する減圧弁を内蔵し、レバー操作量に応じた圧力（油圧パイロット信号）を旋回用スプール６１の左右いずれかの圧力室に与える。

旋回用スプール６１が中立位置Ｂにあるときは、油圧ポンプ４１から吐出される圧油はブリードオフ絞りを通り、更にセンタバイパスカット弁６３を通ってタンクへ戻る。旋回用スプール６１がレバー操作量に応じた圧力（油圧パイロット信号）を受けてＡ位置に切り替わると、油圧ポンプ４１からの圧油はＡ位置のメータイン絞りを通って旋回用油圧モータ２７の右側に送られ、旋回用油圧モータ２７からの戻り油はＡ位置のメータアウト絞りを通ってタンクに戻り、旋回用油圧モータ２７は一方向に回転する。逆に、旋回用スプール６１がレバー操作量に応じた圧力（油圧パイロット信号）を受けてＣ位置に切り替わると、油圧ポンプ４１からの圧油はＣ位置のメータイン絞りを通って旋回用油圧モータ２７の左側に送られ、旋回用油圧モータ２７からの戻り油はＣ位置のメータアウト絞りを通ってタンクに戻り、旋回用油圧モータ２７はＡ位置の場合とは逆方向に回転する。

旋回用スプール６１がＢ位置とＡ位置の中間に位置しているときは、油圧ポンプ４１からの圧油はブリードオフ絞りとメータイン絞りに分配される。このとき、メータイン絞りの入側にはブリードオフ絞りの開口面積とセンタバイパスカット弁６３の開口面積に応じた圧力が立ち、その圧力で旋回用油圧モータ２７に圧油が供給され、その圧力（ブリードオフ絞りの開口面積）に応じた作動トルクが与えられる。また、旋回用油圧モータ２７からの排出油はそのときのメータアウト絞りの開口面積に応じた抵抗を受けて背圧が立ち、メータアウト絞りの開口面積に応じた制動トルクが発生する。Ｂ位置とC位置の中間においても同様である。

操作レバー装置７２の操作レバーを中立位置に戻し、旋回用スプール６１を中立位置Ｂに戻したとき、上部旋回体２０は慣性体であるため、旋回用油圧モータ２７はその慣性で回転を続けようとする。このとき、旋回用油圧モータ２７からの排出油の圧力（背圧）が旋回用の可変オーバーロードリリーフ弁６２ａ又は６２ｂの設定圧力を超えようとするときは、オーバーロードリリーフ弁６２ａ又は６２ｂが作動して圧油の一部をタンクに逃がすることで背圧の上昇を制限し、オーバーロードリリーフ弁６２ａ又は６２ｂの設定圧力に応じた制動トルクを発生する。

図６Ａは、本発明の一実施の形態における旋回用スプール６１のメータイン開口面積特性及びブリードオフ開口面積特性を示す図であり、図６Ｂは同メータアウト開口面積特性を示す図である。

図６Ａにおいて、実線ＭＩがメータイン開口面積特性であり、実線ＭＢがブリードオフ開口面積特性であり、いずれも本実施の形態のものである。二点鎖線ＭＢ0は、電動モータを用いない、従来の油圧ショベルにおいて良好な操作性を確保できるブリードオフ開口面積特性である。本実施の形態のブリードオフ開口面積特性ＭＢは、制御域開始点及び終点は従来のものと同一であるが、中間領域では従来のものに比べて開き勝手（大きな開口面積となるよう）に設計されている。

図６Ｂにおいて、実線ＭＯが本実施の形態のメータアウト開口面積特性であり、二点鎖線ＭＯ0が電動モータを用いない、従来の油圧ショベルにおいて良好な操作性を確保できるメータアウト開口面積特性である。本実施の形態のメータアウト開口面積特性ＭＯは、制御域開始点及び終点は従来のものと同一であるが、中間領域では従来のものに比べて開き勝手（大きな開口面積となるよう）に設計されている。

図７は、油圧パイロット信号（操作パイロット圧）に対する旋回用スプール６１のメータイン絞りとセンタバイパスカット弁６３との合成開口面積特性を示す図である。

油圧電動複合旋回モードが選択されているときは、旋回駆動特性補正指令ＥＥは出力されていないため、センタバイパスカット弁６３は図示の開位置にあり、旋回用スプール６１のメータイン絞りとセンタバイパスカット弁６３との合成開口面積特性は、図６Ａのブリードオフ開口面積特性ＭＢのみによって決まる点線ＭＢCの特性となる（第１モード）。

油圧単独旋回モードが選択されたときは、前述したように電気・油圧変換装置７５ｃに旋回駆動特性補正指令ＥＥが出力され、電気・油圧変換装置７５ｃは対応する制御圧力をセンタバイパスカット弁６３の受圧部に出力し、センタバイパスカット弁６３は図示右側の絞り位置に切り換えられる。このセンタバイパスカット弁６３の切り換えにより、旋回用スプール６１の油圧パイロット信号に対する旋回用スプール６１のメータイン絞りとセンタバイパスカット弁６３との合成開口面積特性は点線ＭＢCの特性よりも合成開口面積が小さい実線ＭＢSの特性に変更される（第２モード）。この実線ＭＢSの合成開口面積特性は従来の油圧ショベルにおいて良好な操作性を確保できるブリードオフ開口面積特性MB0と同等となるように設計されている。

図８は、油圧電動複合旋回モードでの旋回駆動時における油圧パイロット信号（パイロット圧）、メータイン圧力（Ｍ／Ｉ圧）、旋回電動モータ２５のアシストトルク、上部旋回体２０の回転速度（旋回速度）の時系列波形を示す図である。パイロット圧０、旋回停止状態から時間Ｔ＝Ｔ１〜Ｔ４でパイロット圧最大までランプ関数状(P(T)=0:T<T1 , P(T)=AT:T1≦T≦T3 , P(T)=Pmax:T>T3）に油圧パイロット信号を増加させた場合の例である。

油圧電動複合旋回モードが選択されているときは、図７の点線ＭＢCで示したように旋回用スプール６１のメータイン絞りとセンタバイパスカット弁６３との合成開口面積特性は図６Ａのブリードオフ開口面積特性ＭＢのみによって決まる特性となるため、従来に比べてブリードオフ絞りの開口面積が大きい分、本実施の形態の方がメータイン圧力（Ｍ／Ｉ）は低くなる。メータイン圧力は旋回油圧モータ２７の作動トルク（加速トルク）に相当するので、メータイン圧力が低くなった分だけ加速トルクを電動モータ２５により付与する必要がある。図７では力行側のアシストトルクを正としている。本実施の形態では、電動モータ２５のアシストトルクと旋回用スプール６１によって発生するメータイン圧力に由来する加速トルクの合計値が、従来型の油圧ショベルで発生する加速トルクと概ね等しくなるように制御する。これにより上部旋回体２０の旋回速度は従来型の油圧ショベルと同等の加速フィーリングを有することが可能となる。

一方、油圧単独旋回モードが選択されたときは、旋回用スプール６１のメータイン絞りとセンタバイパスカット弁６３との合成開口面積特性は、図７の点線ＭＢCよりも合成開口面積が小さいから実線ＭＢSの特性に変更されるため、旋回用スプール６１によって発生するメータイン圧力は、図８に示す従来の油圧ショベルで得られる実線のメータイン圧力まで上昇し、旋回用スプール６１によって発生するメータイン圧力に由来する加速トルクが、従来型の油圧ショベルで発生する加速トルクと概ね等しくなるように制御される。これにより上部旋回体２０の旋回速度は従来型の油圧ショベルと同等の加速フィーリングを有することが可能となる。

また、油圧モータ２７単独で旋回可能であるということは、旋回油圧モータ２７の最大出力トルクの方が、旋回電動モータ２５の最大出力トルクよりも大きいということである。このことは、油圧電動複合旋回モードにおいて、万一、電動モータ２５が意図しない動きをしたとしても油圧回路が正常ならば、それほど危険な動きにならないことを意味し、本発明は安全性においても有利である。

図９は、油圧パイロット信号（操作パイロット圧）に対する旋回用スプール６１のメータアウト開口面積特性を示す図である。

油圧電動複合旋回モードが選択されているきは、旋回パイロット圧補正指令ＥＦは出力されていないため、センタバイパスカット弁６３は図示の開位置にあり、旋回用スプール６１のメータアウト開口面積特性は図６Ｂのメータアウト開口面積特性ＭＯと同様の変化を示す点線ＭＯCの特性となる（第１モード）。

油圧単独旋回モードが選択されたときは、前述したように図３の電気・油圧変換装置７５ｄ（図４の電気・油圧変換装置７５ｄＬ，７５ｄＲ）旋回パイロット圧補正指令ＥＦが出力され、電気・油圧変換装置７５ｄは操作レバー装置７２で生成された油圧パイロット信号（操作パイロット圧）を減圧補正する。この油圧パイロット信号の補正により、旋回用スプール６１の油圧パイロット信号に対するメータアウト開口面積特性は、図１０の点線ＭＯCの特性に対し中間領域における開口面積が減少した実線ＭＯSの特性に変更される（第２モード）。この実線ＭＯSの開口面積特性は従来の油圧ショベルにおいて良好な操作性を確保できるメータアウト開口面積特性ＭＯ0と同等となるように設計されている。

図１０は、油圧電動複合旋回モードでの旋回制動停止時における油圧パイロット信号（パイロット圧）、メータアウト圧力（Ｍ／Ｏ圧）、旋回電動モータ２５のアシストトルク、上部旋回体２０の回転速度（旋回速度）の時系列波形を示す図である。パイロット圧最大、最高旋回速度から時間Ｔ＝Ｔ５〜Ｔ９でパイロット圧０までランプ関数状(P(T)=Ｐmax :T<T5 , P(T)=-AT:T5≦T≦T8 , P(T)=0:T>T8）に油圧パイロット信号を低減させた場合の例である。

油圧電動複合旋回モードが選択されているときは、図９の点線ＭＯCで示したように旋回用スプール６１の油圧パイロット信号に対するメータアウト開口面積特性は図６Ｂのメータアウト開口面積特性ＭＯと同様の変化する特性となるため、図６Ｂに示したように従来に比べてメータアウト絞りの開口面積が大きい分、本実施の形態の方がメータアウト圧力（Ｍ／Ｏ圧）は低くなる。メータアウト圧力はブレーキトルク（制動トルク）に相当するので、メータアウト圧力が低くなった分だけブレーキトルクを電動モータ２５により付与する必要がある。図１０では回生側のアシストトルクを負としている。本実施の形態では、電動モータ２５のアシストトルクと旋回用スプール６１によって発生するメータアウト圧力に由来するブレーキトルクの合計値が従来型の油圧ショベルで発生するブレーキトルクと概ね等しくなるように制御する。これにより上部旋回体２０の旋回速度は従来型の油圧ショベル同等の減速フィーリングを有することが可能となる。

一方、油圧単独旋回モードが選択されたときは、旋回用スプール６１の油圧パイロット信号に対するメータアウト開口面積特性は、図１０の点線ＭＯCの特性に対し中間領域における開口面積が減少した実線ＭＯSの特性に変更されるため、旋回用スプール６１によって発生するメータアウト圧力は、図１０に示す従来の油圧ショベルで得られる実線のメータアウト圧力まで上昇し、旋回用スプール６１によって発生するメータアウト圧力に由来するブレーキトルクが、従来型の油圧ショベルで発生するブレーキトルクと概ね等しくなるように制御され、上部旋回体２０の旋回速度は従来型の油圧ショベル同等の減速フィーリングを有することが可能となる。

図１１は、旋回用の可変オーバーロードリリーフ弁６２ａ，６２ｂのリリーフ圧特性を示す図である。

油圧電動複合旋回モードが選択され、図３の電気・油圧変換装置７５ｂ（図４の電・油圧変換装置７５ｂＬ，７５ｂＲ）に減トルク指令ＥＣが出力されているときは、電気・油圧変換装置７５ｂは制御圧力を生成し、その制御圧力が可変オーバーロードリリーフ弁６２ａ，６２ｂの設定圧力減少側に作用し、可変オーバーロードリリーフ弁６２ａ，６２ｂのリリーフ特性はリリーフ圧がＰmax1である実線ＳＲの特性となる（第１モード）。油圧単独旋回モードが選択され、電気・油圧変換装置７５ｂ（図４の電気・油圧変換装置７５ｂＬ，７５ｂＲ）に減トルク指令ＥＣが出力されていないときは、電気・油圧変換装置７５ｂは制御圧力を生成しないため、可変オーバーロードリリーフ弁６２ａ，６２ｂのリリーフ特性は、リリーフ圧がＰmax1からＰmax2に上昇した実線ＳＲSの特性となり（第２モード）、制動トルクは、リリーフ圧が高くなった分、増加する。

これにより油圧電動複合旋回モードが選択されたときは、可変オーバーロードリリーフ弁６２ａ，６２ｂのリリーフ圧はＰmax2より低いＰmax1に設定されるため、操作レバー装置７２の操作レバーを中立位置に戻したときに、旋回用油圧モータ２７からの排出油の圧力（背圧）は可変オーバーロードリリーフ弁６２ａ，６２ｂの低めの設定圧力であるＰmax1まで上昇し、電動モータ２５のアシストトルクと可変オーバーロードリリーフ弁６２ａ又は６２ｂによって発生する背圧に由来するブレーキトルクの合計値が従来型の油圧ショベルで発生するブレーキトルクと概ね等しくなるように制御され、上部旋回体２０の旋回速度は従来型の油圧ショベル同等の減速フィーリングを有することが可能となる。

また、油圧単独旋回モードが選択されたときは、可変オーバーロードリリーフ弁６２ａ，６２ｂのリリーフ圧はＰmax1より高いＰmax2に設定されるため、操作レバー装置７２の操作レバーを中立位置に戻した場合に、旋回用油圧モータ２７からの排出油の圧力（背圧）は可変オーバーロードリリーフ弁６２ａ，６２ｂの高めの設定圧力であるＰmax2まで上昇し、可変オーバーロードリリーフ弁６２ａ又は６２ｂによって発生する背圧に由来するブレーキトルクが、従来型の油圧ショベルで発生するブレーキトルクと概ね等しくなるように制御され、上部旋回体２０の旋回速度は従来型の油圧ショベル同等の減速フィーリングを有することが可能となる。

図3に戻り、コントローラ８０の異常監視・異常処理制御ブロック８１とエネルギマネジメント制御部８２について更に説明する。異常監視・異常処理制御ブロック８１とエネルギマネジメント制御部８２は、自動切替制御をおこなう。

異常監視・異常処理制御ブロック８１は、パワーコントロールユニット５５、電動モータ２５、キャパシタ２４、パワーコントロールユニット５５等の電動システムに故障、異常、警告状態が発生した場合に、アイドリング時か否かを判断しつつ、エラー信号を制御切替ブロック８５に出力する。これに基づき制御切替ブロック８５はモード切替制御をおこない、油圧電動複合旋回モードから油圧単独旋回モードに切替える。但し、異常監視・異常処理制御ブロック８１が、インバータの過電流異常等、システムを損傷させる恐れや重大な故障や災害に繋がる恐れがある異常であると判断すると、操作中であっても、エラー信号を制御切替ブロック８５に出力する。

上記異常が解消された場合、異常監視・異常処理制御ブロック８１は、アイドリング時か否かを判断しつつ、エラー解消信号を制御切替ブロック８５に出力する。これに基づき制御切替ブロック８５はモード切替制御をおこない、油圧単独旋回モードから油圧電動複合旋回モードに切替える（復帰動作）。

エネルギマネジメント制御部８２は、初期設定として油圧単独旋回制御ブロック８４を選択することで油圧単独旋回モードに設定する。これにより、起動時にキャパシタに十分な蓄電量が無い場合でも、オペレータがゲートロックレバー装置７１をロック位置からロック解除位置に操作してパイロット圧遮断弁７６をＯＦＦにすることで、油圧ショベルは直ちに動作可能な状態となる。

エネルギマネジメント制御部８２は、作業を行っている間に、バックグラウンドで充電や放電制御等を行い、旋回電動モータが駆動可能な状態になったと判断すると、アイドリング時か否かを判断しつつ、準備完了処理を制御切替ブロック８５に出力する。これに基づき制御切替ブロック８５はモード切替制御をおこない、油圧単独旋回モードから油圧電動複合旋回モードに切替える。

エネルギマネジメント制御部８２による充電・放電制御は次のように行う。まず、パワーコントロールユニット５５を起動し、インバータ５２，５３及び平滑コンデンサ５４の初期充電処理とメインコンタクタ５６の接続処理を行う。次いで、キャパシタ２４が規定電圧にあるかどうかを判定し、キャパシタ３４が規定電圧以下であればキャパシタ充電制御を行い、規定電圧以上であればキャパシタ放電制御を行う。キャパシタ２４が規定電圧になれば油圧電動複合旋回モードの準備完了状態と判断する。

本実施の形態特有の構成について更に説明する。

図3に戻り、旋回制御システムは、更に、それぞれ運転室に設けられた旋回モード切替スイッチ７７とモニタ装置１５０を備えている。コントローラ８０は、入力制御ブロック８６、表示制御ブロック８７を有する。

入力制御ブロック８６は、旋回モード切替スイッチ７７から切替指令信号を入力し、制御切替ブロック８５に出力する。入力制御ブロック８６の指令信号（特に油圧電動複合旋回モードから油圧単独旋回モードへの切替指令信号）、は、異常監視・異常処理制御ブロック８１とエネルギマネジメント制御部８２の信号より優先される。表示制御ブロック８７は、所定の表示情報をモニタ装置１５０に出力する。

図１２は、旋回モード切替スイッチ７７の詳細を示す図である。旋回モード切替スイッチ７７は運転室のオペレータの視界に入りやすい位置に設けられており、オペレータは手動切替できる。旋回モード切替スイッチ７７は切替位置に応じて所定の電圧値Vinを出力する。旋回モード切替スイッチ７７の上部には、該当する切替位置に表示ランプが設けられ、「油圧電動複合旋回」および「油圧単独旋回」と表記されている。「油圧電動複合旋回」の表示ランプは緑色に点灯し、「油圧単独旋回」の表示ランプは赤色に点灯する。これらの構成により、オペレータは、選択された旋回モードを認識でき、旋回モード切替スイッチ７７の設定し忘れや戻し忘れを防止できる。

本実施の形態において、旋回モード切替スイッチ７７と入力制御ブロック８６は、旋回モード切替指令手段を構成する。

本実施の形態特有の動作について説明する。

通常作業時は、旋回モード切替スイッチ７７は「油圧電動複合旋回」に位置し、「油圧電動複合旋回」の表示ランプは緑色が点灯している（図１２A）。

図１３は、入力制御ブロック８６の制御フローを示す図である。入力制御ブロック８６は入力電圧Vinが閾値電圧Vshより小さいか否かを判断する。油圧電動複合旋回位置に対応する指令信号は電圧値Voffであり、閾値電圧Vshより小さくない（No）として、油圧電動複合旋回モードが選択されたと判断する（ステップS1→S3）。入力制御ブロック８６は指令信号を制御切替ブロック８５に出力し、制御切替ブロック８５は油圧電動複合旋回制御ブロック８３を選択している。

小割作業や旋回荷降し作業などの特定作業時は、オペレータは旋回モード切替スイッチ７７を切替え、旋回モード切替スイッチ７７は「油圧単独旋回」に位置し、「油圧電動複合旋回」の表示ランプは消灯し、「油圧単独旋回」の表示ランプは緑色に点灯する（図１２B）。

油圧単独旋回位置に対応する指令信号は電圧値Vonであり、入力制御ブロック８６は閾値電圧Vshより小さい（Yes）として、油圧単独旋回モードが選択されたと判断する（ステップS1→S2）。入力制御ブロック８６は指令信号を制御切替ブロック８５に出力し、制御切替ブロック８５は油圧単独旋回制御ブロック８４を選択する。

なお、電圧値Von＜閾値電圧Vsh＜電圧値Voffの関係になるように設定されている。

特定作業終了後は、オペレータは旋回モード切替スイッチ７７を「油圧電動複合旋回」位置に戻す。これにより、油圧単独旋回モードから油圧電動複合旋回モードに復帰する。

なお、必要に応じて、選択した旋回モードをモニタ装置１５０に表示してもよい。図１４は、モニタ装置１５０の通常表示画面１６０である。モニタ装置１５０には例えば燃料残量やエンジン冷却水温といった計器類の状態を表示する表示領域１５１と、各種状態 (時刻、アワーメータ、走行２速、E／P／HPモード、作業モード等)を表示する表示領域１５２がある。さらに、通常作業時、油圧電動複合旋回モードが選択されているときは、表示制御ブロック８７は、「ハイブリット制御である」旨(HYBと表記)のアイコン１５３をモニタ装置１５０に出力する（図１４A参照）。特定作業時、油圧単独旋回モードに切り替えられると、アイコン１５３は消され、表示制御ブロック８７は、「ハイブリット制御でない」旨(HYBの文字の上に斜線表記)のアイコンのアイコン１５４をモニタ装置１５０に出力する（図１４B参照）。これらアイコン１５３，１５４により、オペレータは、選択された旋回モードを認識でき、旋回モード切替スイッチ７７の設定し忘れや戻し忘れを防止できる。

本実施の形態の第１効果について説明する。

旋回モード切替スイッチ７７からの切替指令により、油圧モータ２７と電動モータ２５の両方のトルクで旋回駆動するモード（油圧電動複合旋回モード）と油圧モータ２７単独で旋回駆動するモード（油圧単独旋回モード）とを切換えることができる。油圧電動複合旋回モードにおいては、例えば、押し付け掘削等の油圧アクチュエータ特有の作業動作、油圧アクチュエータ特有の操作感を実現すると共に、制動（減速）時には、電動モータ２５によって旋回体２０の運動エネルギを回生することにより、省エネルギ化を実現することができる。また、油圧単独旋回モードに切替えることにより、油圧モータ２７単独によって正常な旋回トルクで駆動でき、油圧ショベルとしての作業を継続することができる。

本実施の形態の第２効果について説明する。

本実施形態において、異常監視・異常処理制御ブロック８１とエネルギマネジメント制御部８２は、自動切替制御をおこなうのに対し、入力制御ブロック８６は手動切替制御をおこなう。自動切替制御と対比しながら手動切替制御の効果について説明する。

ところで、特定の作業においてキャパシタ２４に係る問題が生じる場合がある。例えば、小割作業においてキャパシタ２４のエネルギ不足が生じやすく、旋回荷降し作業においてキャパシタ２４の過充電状態が生じやすい。

このようなキャパシタ２４に係る問題が生じると、自動切替制御は、油圧電動複合旋回モードから油圧単独旋回モードに切替える。そして、キャパシタ２４に係る問題が解消すると、油圧単独旋回モードから油圧電動複合旋回モードに復帰する。これによりキャパシタ２４に係る問題を解決するとともに、第１効果を得る。

しかし、自動切替制御はキャパシタ２４に係る問題発生自体を抑止できるものではなく、作業中に頻繁に旋回モードが切替わる。過度な旋回モード切替は、コントローラ８０の負担となり、好ましくない。また、本実施形態では、油圧電動複合旋回モードと油圧単独旋回モードにおいて、同等の操作フィーリングが得られるように構成されているが、完全一致を保障するものではない。作業中の過度な旋回モード切替は、オペレータに微小な違和感を与える可能性もある。

一方、キャパシタ２４に係る問題が生じる特定の作業は、小割作業や旋回荷降し作業など予め想定できる。オペレータが、特定作業の前に旋回モード切替スイッチ７７を手動切替すると、油圧電動複合旋回モードから油圧単独旋回モードに切替えられる。手動切替制御は自動切替制御より優先されるため、特定作業中は油圧単独旋回モードに固定される。これにより、キャパシタ２４に係る問題発生自体を抑止できる。

＜第２の実施の形態＞
図１５は、第２の実施の形態によるハイブリッド式油圧ショベルのシステム構成及び制御ブロック図である。第１の実施の形態における旋回モード切替スイッチ７７が削除されている。

第２の実施の形態特有の構成について説明する。

モニタ装置１５０は表示領域１５２の下部に操作入力部１５８を有している。操作入力部１５８からの入力指令は入力制御ブロック８６に入力される。すなわち、モニタ装置１５０は、表示機能ともにGUI機能（グラフィックユーザーインターフェイス）も有する。

図１６は、モニタ装置１５０に表示される各画面の階層構造を示す図である。表示制御ブロック８７は、各画面を記憶部から読込み、モニタ装置１５０に出力する。通常時は、計器類等の状態を表示する通常表示画面１６０（図１４参照）が表示される。操作入力部１５８のメニューボタンが押されると、メインメニュー画面１６１（図１７A参照）が表示される。

メインメニュー画面１６１は、各種メニュー項目から構成され、メニュー項目は操作入力部１５８の上下ボタンの操作により選択可能である（図１７B参照）。メニュー項目選択後にエンターボタンが押されると、選択されたメニュー項目に対応する画面が表示される。例えば、「設定メニュー」項目が選択されると、設定メニュー画面１６２（図１８A参照）が表示される。

設定メニュー画面１６２は、各種設定項目から構成され、設定項目は操作入力部１５８の上下ボタンの操作により選択可能である。設定項目数が多くて表示しきれない場合は、上下ボタンの操作によりスクロール可能である（図１８B参照）。設定項目選択後にエンターボタンが押されると、選択された設定項目に対応する画面が表示される。本実施形態では、「旋回モード設定」項目が設けられており、「旋回モード設定」項目が選択されると、旋回モード設定画面１６３（図１９参照）が表示される。

旋回モード設定画面１６３は、「油圧電動複合旋回モード」項目と「油圧単独旋回モード」項目とから構成され、各項目は操作入力部１５８の上下ボタンの操作により選択可能である。「油圧電動複合旋回モード」項目選択後にエンターボタンが押されると、油圧電動複合旋回モード確認画面１６４（図示省略）が表示される。「油圧単独旋回モード」項目選択後にエンターボタンが押されると、油圧単独旋回モード確認画面１６５（図２０参照）が表示される。

油圧電動複合旋回モード確認画面１６４は、チェックボックスを設けており、チェックボックスは、操作入力部１５８の上下ボタンの操作により選択可能である。チェックボックス選択後にエンターボタンが押されると、入力制御ブロック８６は、油圧単独旋回モードから油圧電動複合旋回モードに切替える切替指令信号を入力する。

油圧単独旋回モード確認画面１６５は、チェックボックスを設けており、チェックボックスは、操作入力部１５８の上下ボタンの操作により選択可能である。チェックボックス選択後にエンターボタンが押されると、入力制御ブロック８６は、油圧電動複合旋回モードから油圧単独旋回モードに切替える切替指令信号を入力する。

本実施の形態において、旋回モード設定画面１６３、油圧電動複合旋回モード確認画面１６４、油圧単独旋回モード確認画面１６５と操作入力部１５８と入力制御ブロック８６は、旋回モード切替指令手段を構成する。

本実施の形態特有の動作について説明する。

入力制御ブロック８６は、初期設定として油圧電動複合旋回制御ブロック８３を選択することで、油圧電動複合旋回モードに設定する。すなわち、通常作業時は、油圧電動複合旋回モードが選択されている。

小割作業や旋回荷降し作業などの特定作業時は、オペレータは旋回モード設定画面１６３、油圧単独旋回モード確認画面１６５において操作入力部１５８を介して、油圧単独旋回モードに設定する。入力制御ブロック８６は切替指令信号を制御切替ブロック８５に出力し、制御切替ブロック８５は油圧単独旋回制御ブロック８４を選択する。

特定作業終了後は、オペレータは旋回モード設定画面１６３、油圧電動複合旋回モード確認画面１６４において操作入力部１５８介して、油圧電動複合旋回モードに戻す。

なお、必要に応じて、選択した旋回モードをモニタ装置１５０に表示してもよい。オペレータが操作入力部１５８のバックボタンを押すと、通常表示画面１６０が表示される（図１４参照）。これらアイコン１５３，１５４により、オペレータは、選択された旋回モードを認識でき、旋回モードの設定し忘れや戻し忘れを防止できる。

本実施形態においても、第１の実施の形態に係る第１効果および第２効果を得る。

＜第３の実施の形態＞
図２１は、第３の実施の形態によるハイブリッド式油圧ショベルのシステム構成及び制御ブロック図である。第２の実施の形態に作業モード選択手段が付加されている。

まず、作業モード選択手段について説明する。油圧ショベルは通常作業としてバケット３５を用いた掘削作業をおこなうが、作業内容に応じて各種アタッチメントを交換する。たとえば、小割作業をするために、油圧ショベルのバケット３５は小割機に交換される。このようなアタッチメントには他にブレーカやクラムシェルがある。これらのアタッチメントには、各作業に最適なリリーフ圧や最大ポンプ流量等が存在する。初期設定として掘削作業に最適なリリーフ圧や最大ポンプ流量が設定されているため、アタッチメントを交換する際に、リリーフ圧や最大ポンプ流量等を設定しなおす必要がある。モニタ装置１５０に表示される各画面の階層構造（図１６参照）には、「作業モード選択」項目がある。第２の実施の形態（図１５参照）と同様に、モニタ装置１５０は表示機能ともにGUI機能も有する。すなわち、操作入力部１５８からの入力指令は入力制御ブロック８６に入力される。

メインメニュー画面１６１（図１７参照）において、「作業モード選択」項目が選択されると、作業モード選択画面１６６（図２２参照）が表示される。作業モード選択画面１６６は、各種作業モード選択項目から構成され、作業モード選択項目は操作入力部１５８の上下ボタンの操作により選択可能である。作業モード選択項目選択後にエンターボタンが押されると、選択された作業モード選択項目に対応する確認画面が表示される。作業モード選択項目には、「掘削」モード選択項目、「ATT1（小割機）」モード選択項目、「ATT2（ブレーカ）」モード選択項目などが設けられている。なお、「ATT1（小割機）」とは、小割機をアタッチメントとして選択する小割作業を意味し、「ATT２（ブレーカ）」とは、ブレーカをアタッチメントとして選択するはつり作業を意味する。「掘削」モード選択項目選択後にエンターボタンが押されると、掘削モード選択確認画面１６７（図２３A参照）が表示される。「ATT1（小割機）」モード選択項目選択後にエンターボタンが押されると、小割モード選択確認画面１６８（図２３B参照）が表示される。

小割モード選択確認画面１６８等の確認画面は、チェックボックスを設けており、チェックボックスは、操作入力部１５８の上下ボタンの操作により選択可能である。チェックボックス選択後にエンターボタンが押されると、入力制御ブロック８６は作業モード選択指令を入力する。

コントローラ８０は、作業モード選択ブロック８８を有している。作業モード選択ブロック８８は、作業モード毎に、作業に用いるアタッチメントに最適なリリーフ圧や最大ポンプ流量等の設定値を予め記憶するとともに、作業モード選択指令を入力し、設定値に対応する設定指令をレギュレータ６４やリリーフ弁６２ａ，６２ｂに出力する。これにより、アタッチメントに最適なリリーフ圧や最大ポンプ流量等を設定できる。

なお、作業モード選択ブロック８８は、初期設定の作業モードとして掘削モードを選択する。

第３の実施の形態特有の構成について説明する。

上記のように、掘削モード選択確認画面１６７においてチェックボックス選択後にエンターボタンが押されると、作業モード選択ブロック８８は、入力制御ブロック８６を介して、掘削モード選択指令を入力し、掘削作業に用いるバケットに適した設定指令を出力する。本実施形態では更に、作業モード選択ブロック８８は、掘削モード選択に対応して油圧単独旋回モードから油圧電動複合旋回モードに切替える切替指令を記憶するとともに、掘削モード選択指令を入力すると、切替指令信号を制御切替ブロック８５に出力する。

小割モード選択確認画面１６８においてチェックボックス選択後にエンターボタンが押されると、作業モード選択ブロック８８は、入力制御ブロック８６を介して、小割モード選択指令を入力し、小割作業に用いる小割機に適した設定指令を出力する。本実施形態では更に、作業モード選択ブロック８８は、小割モード選択に対応して油圧電動複合旋回モードから油圧単独旋回モードに切替える切替指令を記憶するとともに、小割モード選択指令を入力すると、切替指令信号を制御切替ブロック８５に出力する。

本実施の形態において、掘削モード選択確認画面１６７と小割モード選択確認画面１６８と操作入力部１５８と入力制御ブロック８６と作業モード選択ブロック８８とは、旋回モード切替指令手段を構成する。

本実施の形態特有の動作について説明する。アタッチメントとして小割機を用いる小割モードを選択した例を示す。

作業モード選択ブロック８８は、初期設定として掘削モードを選択することで、油圧電動複合旋回モードに設定する。すなわち、通常作業時は、油圧電動複合旋回モードが選択されている。

図２４は、モニタ装置１５０の通常表示画面１６０である。このとき、表示制御ブロック８７は、「選択した作業モードが掘削モードである」旨(バケットのシンボル)のアイコン１５５と「ハイブリット制御である」旨(HYBと表記)のアイコン１５３をモニタ装置１５０に出力する（図２４A参照）。

小割作業時は、オペレータはバケット３５から小割機に交換するとともに、作業モード選択画面１６６と小割モード選択確認画面１６８において操作入力部１５８介して、小割モードを選択する。作業モード選択ブロック８８は切替指令信号を制御切替ブロック８５に出力し、制御切替ブロック８５は油圧単独旋回制御ブロック８４を選択する。

オペレータが操作入力部１５８のバックボタンを押すと、通常表示画面１６０が表示される。このとき、表示制御ブロック８７は、「選択した作業モードが小割モードである」旨(小割機のシンボル)のアイコン１５６と「ハイブリット制御でない」旨(HYBの文字の上に斜線表記)のアイコン１５４をモニタ装置１５０に出力する（図２４B参照）。

小割作業終了後は、オペレータは小割機からバケット３５に戻すとともに、作業モード選択画面１６６、掘削モード選択確認画面１６７において操作入力部１５８介して、掘削モードを選択する。作業モード選択ブロック８８は切替指令信号を制御切替ブロック８５に出力し、制御切替ブロック８５は油圧電動複合旋回制御ブロック８３を選択し、油圧電動複合旋回モードに戻す。

本実施形態の効果について説明する。

アタッチメントとして小割機をつけておこなう小割作業は、小割機が重いため、旋回駆動に必要なエネルギが多いが、作業中の旋回速度は遅く運動エネルギは小さいため、制動時にキャパシタ２４に回収することができるエネルギは少ない。油圧電動複合旋回モードにおいて小割作業が続くとキャパシタ２４のエネルギ不足が生じる。

本実施形態では、オペレータがモニタ装置１５０の表示画面を介して小割モードを選択すると、油圧電動複合旋回モードから油圧単独旋回モードに切替えられる。これにより、第１の実施の形態と同様な効果を得る。

本実施形態の更なる効果について説明する。

第１の実施の形態は、手動切替制御によるものであり、旋回モード切替の設定し忘れや戻し忘れの可能性があった。

本実施形態は、オペレータが作業モードを手動選択すると、作業モード選択ブロック８８は自動的に旋回モード切替をおこなう、いわば半自動（半手動）切替制御と言うことができる。これにより、旋回モード切替の設定し忘れや戻し忘れをより確実に防止できる。

本実施の形態は、アタッチメントとして小割機を用いる小割モードを選択した例について説明したが、小割モードに限定されるものではない。例えば、タッチメントとしてブレーカを用いるはつりモードを選択したとき、油圧単独旋回モードに切替えてもよい。

＜第４の実施の形態＞
図２５は、第４の実施の形態によるハイブリッド式油圧ショベルのシステム構成及び制御ブロック図である。第１の実施の形態における旋回モード切替スイッチ７７が削除されて、外部端末１７０およびこれに付随する構成（外部端末通信ブロック８９）が付加されている。

まず、外部端末１７０について説明する。油圧ショベルは定期的なメンテナンスが必要である。サービス員は、外部端末１７０をコントローラ８０に接続し、外部端末通信ブロック８９を介してコントローラ８０に蓄積されたデータを取得し、故障診断を行う。さらに、故障診断結果に基づき各種設定変更行う。

第４の実施の形態特有の構成について説明する。

外部端末１７０は故障診断時以外でも、各種設定変更を行う機能を有し、その１つとして旋回モード切替機能を有する。外部端末通信ブロック８９は、外部端末１７０から切替指令信号を入力し、制御切替ブロック８５に出力する。

本実施の形態において、外部端末１７０と外部端末通信ブロック８９とは、旋回モード切替指令手段を構成する。

本実施の形態特有の動作について説明する。

通常作業時は、初期設定として油圧電動複合旋回モードに設定されている。制御切替ブロック８５は油圧電動複合旋回制御ブロック８３を選択している。

小割作業や旋回荷降し作業などの特定作業などが多いことがわかっている場合、サービス員は外部端末１７０により、油圧単独旋回モードに設定する。外部端末通信ブロック８９は切替指令信号を制御切替ブロック８５に出力し、制御切替ブロック８５は油圧単独旋回制御ブロック８４を選択する。

特定作業終了後は、サービス員は外部端末１７０により、油圧電動複合旋回モードに戻す。

本実施形態においても、第１の実施の形態に係る効果を得る。

本実施形態の更なる効果について説明する。

第１の実施の形態は、オペレータの判断に基づく手動切替制御によるものである。ところで、オペレータがハイブリッド式油圧ショベルの特徴を熟知していない可能性も有り、不適切な旋回モード切替は故障の原因になる。また、ハイブリッド式でない従来式油圧ショベルの操作フィーリングに慣れている熟練オペレータは、油圧電動複合旋回モードに微小な違和感を感じて、通常作業中であっても油圧単独旋回モードに固定する可能性もある。通常作業中に油圧単独旋回モードに固定すると、省エネルギ化による効果が得られない。

本実施の形態は、サービス員の判断に基づく手動切替制御によるものである。サービス員は、ハイブリッド式油圧ショベルの特徴を熟知しており、適切に旋回モードを切替えることにより、より確実に第１の実施の形態に係る効果を得る。

なお、必要に応じて、選択した旋回モードをモニタ装置１５０に表示してもよい（図１４参照）。これらアイコン１５３，１５４により、サービス員が旋回モードを選択しても、オペレータは選択された旋回モードを認識できる。

＜第５の実施の形態＞
図２６は、第５の実施の形態によるハイブリッド式油圧ショベルのシステム構成及び制御ブロック図である。第１の実施の形態に、外部端末１７０およびこれに付随する構成が付加されている。すなわち、第１の実施の形態と第４の実施の形態を組み合わせた構成となっている。

第５の実施の形態特有の構成について説明する。

入力制御ブロック８６は、旋回モード切替スイッチ７７から切替指令信号を入力し、制御切替ブロック８５に出力する。一方、外部端末通信ブロック８９は、外部端末１７０から切替指令信号を入力し、旋回モード切替スイッチ７７からの切替指令信号を無効とするとともに、外部端末１７０からの切替指令信号を制御切替ブロック８５に出力する。すなわち、外部端末１７０からの切替指令が旋回モード切替スイッチ７７からの切替指令より優先される。

本実施の形態において、旋回モード切替スイッチ７７と入力制御ブロック８６は、旋回モード切替指令手段を構成し、外部端末１７０と外部端末通信ブロック８９とは、第２旋回モード切替指令手段を構成する。

本実施の形態特有の動作について説明する。

オペレータがハイブリッド式油圧ショベルの特徴を熟知している場合、オペレータの判断に基づく手動切替制御が行われる。このとき、サービス員による動作はない。すなわち、第１の実施の形態の動作と同様となる。

オペレータがハイブリッド式油圧ショベルの特徴を熟知していない場合、サービス員の判断に基づく手動切替制御が行われる。すなわち、第４の実施の形態の動作と同様となる。サービス員が外部端末１７０により旋回モードを切替えた後、オペレータが旋回モード切替スイッチ７７を操作しても、旋回モード切替スイッチ７７からの切替指令信号は無効とされる。

なお、必要に応じて、旋回モード切替スイッチ７７からの切替指令は無効とされている旨をモニタ装置１５０に表示してもよい。

本実施形態において、オペレータの判断に基づく手動切替制御とサービス員の判断に基づく手動切替制御との双方をおこなうことができる。

なお、本実施の形態は、第１の実施の形態と第４の実施の形態を組み合わせた構成としたが、第２の実施の形態と第４の実施の形態を組み合わせた構成としてもよい。

＜その他＞
これまでの実施の形態でのエンジン２２の駆動軸に連結されたアシスト発電モータ２３に代え、油圧ポンプ４１の吐出油によって駆動される油圧モータと、この油圧モータの駆動軸に連結された電動モータを用いてもよい。また、蓄電デバイスとしては、電気二重層キャパシタ２４以外に、リチウムイオンキャパシタ、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池等、あらゆる蓄電デバイスが使用可能である。

これまでの実施の形態の原動機としてエンジン２２に代え、他の原動機、例えば、電動モータを用いた油圧ショベルに本発明を適用しても問題はない。電動モータを用いた油圧ショベルには、商用交流電源１２１からの交流電力で駆動される電動モータ１２０を用いた油圧ショベル、大容量バッテリで駆動される電動モータを用いた油圧ショベルがある。

以上において、本発明を油圧ショベルに適用した場合の実施の形態を説明したが、本発明の骨子は、旋回体の駆動に対して、油圧電動複合旋回モードと油圧単独旋回モードの手動切替制御を行えるようにすることであり、油圧ショベル以外の旋回体を有する建設機械全般に本発明は適用可能である。

１０…下部走行体
１１…クローラ
１２…クローラフレーム
１３…右走行用油圧モータ
１４…左走行用油圧モータ
２０…上部旋回体
２１…旋回フレーム
２２…エンジン
２３…アシスト発電モータ
２４…キャパシタ
２５…旋回電動モータ
２６…減速機構
２７…旋回油圧モータ
３０…ショベル機構（フロント装置）
３１…ブーム
３２…ブームシリンダ
３３…アーム
３４…アームシリンダ
３５…バケット
３６…バケットシリンダ
４０…油圧システム
４１…油圧ポンプ
４２…コントロールバルブ
４３…油圧配管
５１…チョッパ
５２…旋回電動モータ用インバータ
５３…アシスト発電モータ用インバータ
５４…平滑コンデンサ
５５…パワーコントロールユニット
５６…メインコンタクタ
５７…メインリレー
５８…突入電流防止回路
６１…旋回用スプール
６２ａ，６２ｂ…可変オーバーロードリリーフ弁
６３…センタバイパスカット弁
７０…イグニッションキー
７１…ゲートロックレバー
７２…旋回用の操作レバー装置
７３…操作レバー装置（旋回以外）
７４ａ，７４ｂＬ，７４ｂＲ…油圧・電気変換装置
７５ａ，７５ｂ，７５ｃ，７５ｄ…電気・油圧変換装置
７６…パイロット圧信号遮断弁
７７…旋回モード切替スイッチ
８０…コントローラ（制御装置）
８１…異常監視・異常処理制御ブロック
８２…エネルギマネジメント制御ブロック
８３…油圧電動複合旋回制御ブロック
８４…油圧単独制御ブロック
８５…制御切替ブロック
８５…制御切替ブロック
８６…入力制御ブロック
８７…表示制御ブロック
８８…作業モード選択ブロック
８９…外部端末通信ブロック
１５０…モニタ装置
１５１，１５２…表示領域
１５３〜１５６…アイコン
１５８…操作入力部
１６０…通常表示画面
１６１…メインメニュー画面
１６２…設定メニュー画面
１６３…旋回モード設定画面
１６４…油圧電動複合旋回モード確認画面
１６５…油圧単独旋回モード確認画面
１６６…作業モード選択画面
１６７…掘削モード選択確認画面
１６８…小割モード選択確認画面
１７０…外部端末

Claims (8)

1. 原動機と、
   前記原動機により駆動される油圧ポンプと、
   旋回体と、
   前記旋回体駆動用の電動モータと、
   前記油圧ポンプにより駆動される前記旋回体駆動用の油圧モータと、
   前記電動モータに接続された蓄電デバイスと、
   前記旋回体の駆動を指令する旋回用の操作レバー装置と、
   前記旋回用の操作レバー装置が操作されたときに前記電動モータと前記油圧モータの両方を駆動して、前記電動モータと前記油圧モータのトルクの合計で前記旋回体の駆動を行う油圧電動複合旋回モードと、前記旋回用の操作レバー装置が操作されたときに前記油圧モータのみを駆動して、前記油圧モータのみのトルクで前記旋回体の駆動を行う油圧単独旋回モードとの切替を指令する手動式の旋回モード切替指令手段と、
   油圧電動複合旋回モード制御を行う油圧電動複合旋回制御部と、油圧単独旋回モード制御を行う油圧単独旋回制御部と、前記旋回モード切替指令手段からの切替指令に基づいて油圧電動複合旋回モードと油圧単独旋回モードとの切替えを行う旋回モード切替部とを有する制御装置と
   を備えることを特徴とするハイブリッド式建設機械。
2. 請求項１記載のハイブリッド式建設機械において、
   更に、運転室に設けられた切替スイッチを備え、
   前記制御装置は、更に、この切替スイッチからの指令を入力する入力制御部を有し、
   前記旋回モード切替指令手段は、前記切替スイッチと前記制御装置の入力制御部とである
   ことを特徴とするハイブリッド式建設機械。
3. 請求項２記載のハイブリッド式建設機械において、
   更に、表示装置を備え、
   前記制御装置は、更に、旋回モード切替部の処理に基づいて切替えた旋回モードを前記表示装置に表示する表示制御部を有する
   ことを特徴とするハイブリッド式建設機械。
4. 請求項１記載のハイブリッド式建設機械において、
   更に、操作入力部を有する表示装置を備え、
   前記制御装置は、更に、前記表示装置に旋回モード選択画面を表示する表示制御部と、この旋回モード選択画面において前記操作入力部を介して選択した旋回モードを入力する入力制御部とを有し、
   前記旋回モード切替指令手段は、前記表示装置に表示される旋回モード選択画面と前記表示装置の操作入力部と前記制御装置の入力制御部とである
   ことを特徴とするハイブリッド式建設機械。
5. 請求項４記載のハイブリッド式建設機械において、
   前記表示制御部は、旋回モード切替部の処理に基づいて切替えた旋回モードを前記表示装置に表示する
   ことを特徴とするハイブリッド式建設機械。
6. 請求項１記載のハイブリッド式建設機械において、
   更に、前記制御装置の一部である作業モード選択部を含む作業モード選択手段を備え、
   前記旋回モード切替指令手段は、前記作業モード選択部である
   ことを特徴とするハイブリッド式建設機械。
7. 請求項１記載のハイブリッド式建設機械において、
   前記制御装置は、更に外部端末との入出力をおこなう外部端末通信部を有し、
   前記旋回モード切替指令手段は、外部端末と前記制御装置の外部端末通信部とである
   ことを特徴とするハイブリッド式建設機械。
8. 請求項２、４、６記載のハイブリッド式建設機械において、
   前記制御装置は、更に外部端末との入出力をおこなう外部端末通信部を有し、
   前記外部端末通信部を介し、前記旋回モード切替指令手段からの指令を無効にするとともに、油圧電動複合旋回モードと油圧単独旋回モードとの切替を指令する第２旋回モード切替指令手段
   を更に備えることを特徴とするハイブリッド式建設機械。

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