JP3931004B2 - ハイブリッド油圧システム及び油圧式建設機械 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、油圧ショベル等の油圧機構を用いた建設機械の油圧システムに用いて好適の、エンジンと電気モータとをポンプの駆動源として併用したハイブリッド油圧システム、及び、油圧ショベル等に用いて好適の、油圧式建設機械に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ショベル等の建設機械ではその機構として機械式と油圧式とがあるが、掘削力等の力の強さや構造の簡単さなどの利点から、油圧式が主流になっている。図５は、従来の油圧ショベル等の油圧機構を用いた建設機械に用いられる油圧システムのシステム構成図である。
【０００３】
図５に示すように、従来の油圧システムは、油圧ポンプ３１とエンジン（ディーゼルエンジン）３２とをそなえ、エンジン３２により油圧ポンプ３１を駆動して作動油に油圧を発生させるようになっている（エンジン３２の始動はセルモータ３６によって行なう）。発生する油圧エネルギの大きさは油圧ポンプ３１の仕事量に応じて決まるが、ここでは、コントローラ（制御手段）３０によりエンジン３２の回転速度を制御し、大きな油圧エネルギが必要な場合にはエンジン回転速度を上昇させて油圧ポンプ３１の仕事量を増大させ、逆に大きな油圧エネルギを必要しない場合にはエンジン回転速度を低下させて油圧ポンプ３１の仕事量を減少させるようになっている。
【０００４】
そして、発生した油圧により作動油はコントロールバルブ３３を介して必要な流量に調整され各アクチュエータ３４に送り込まれ、各装置（例えば、走行装置，旋回装置，作業装置）の機械的な動きに変換されるようになっている。油圧エネルギを供給すべきアクチュエータ３４の選択は、作業レバー３５を操作することによって行なわれる。すなわち、作業レバー３５を操作することにより操作信号がコントロールバルブ３３に送信され、コントロールバルブ３３では内部の油圧回路のスプールを動かして、目的のアクチュエータ３４に作動油を供給するようになっているのである。
【０００５】
アクチュエータ３４に作動油が送り込まれている時には油圧は増加する。従って、コントロールバルブ３３内の油圧を検出することによって、その大きさから機械が作業中であるか否かを判断することができる。図５に示す従来の油圧システムでは、コントロールバルブ３３の内部油圧回路内に所定の圧力スイッチ３３ａを設けて、油圧が所定値以上になった時には機械が作業中であることを示す作業信号をコントローラ３０に入力するようになっている。
【０００６】
上記のような油圧システムをそなえた建設機械、例えば油圧ショベルの使い方の代表的なものとして、ダンプ積込み作業がある。ダンプ積込み作業とは、油圧ショベルで土を堀り、掘った土をダンプカーに積み込む作業であるが、荷台の土が満杯になった時にはダンプカーの入替えが行なわれるため、その入替えの間は油圧ショベルは待機状態となる。
【０００７】
この待機状態の間は外部への仕事がないため油圧ポンプ３１を駆動して油圧エネルギを発生させる必要はなく、逆に油圧ポンプ３１を駆動するための無駄な燃料を消費するだけとなる。しかしながら、一旦エンジン３２を停止してしまうと次に作業復帰するときに始動操作のためのロスタイムが発生してしまい、また、エンジン３２は始動後直ぐには回転が立ち上がらない。さらに、エンジン３２が回転してから油圧が所要のレベルまで立ち上がるには、やはり幾らかの時間がかかり、作業復帰までにさらにロスタイムが発生してしまうことになる。また、エンジン３２を停止するとエアコン等の快適装備も働かなくなってしまう。
【０００８】
以上のようにエンジン３２を停止させると無駄な燃料消費はなくなるものの、様々な不具合が発生してしまう。そこで、従来、待機時にはエンジン３２を停止するのではなくエンジン３２の回転速度を低下させ、これにより燃料消費を低減するとともに直ぐに油圧が立ち上がるようにしていた。このエンジン回転速度を低下させる操作は運転者のスロットルダイヤルの操作によっても勿論可能であるが、従来の油圧システムでは、待機状態になると自動的にエンジン回転速度を低下させる制御が行なわれていた。
【０００９】
この制御はオートエンジンコントロール（ＡＥＣ）と呼ばれるものであり、図６に示すように、コントロールバルブ３３から作業信号が所定時間入力されなかった時（即ち、作業レバー３５が所定時間操作されなかった時）には、コントローラ３０からエンジン３２に回転速度指令信号を送信してエンジン３２の回転速度を低下させるようになっている。そして、コントロールバルブ３３から作業信号が入力され時（即ち、作業レバーが操作され時）、再びコントローラ３０からエンジン３２に回転速度指令信号を送信し、元の回転速度まで復帰させるようになっている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の油圧システムにかかる制御方法（ＡＥＣ）では、エンジン回転速度は低下してはいるものの、エンジン３２が動作しているのには変わり無く、燃料の無駄な消費が全くなくなるわけではない。また、エンジン３２が動作している以上は騒音や振動が発生することは避けられない。このように従来の油圧システムでは、待機後の速やかな作業復帰と待機状態における燃料消費の低減及び騒音振動の低減との両立という点においては不十分であった。
【００１１】
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、エンジンと電気モータとをポンプの駆動源として併用することによって、待機後の速やかな作業復帰と待機状態での燃料浪費及び騒音振動の大幅な低減とを両立できるようにした、ハイブリッド油圧システム及び油圧式建設機械を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明のハイブリッド油圧システムでは、油圧を機械的動きに変換するアクチュエータと、該アクチュエータに作動油を供給する油圧ポンプと、該油圧ポンプを駆動するエンジンと、該エンジンの出力軸と該油圧ポンプの入力軸との間に介装されたクラッチと、該油圧ポンプの入力軸に連結された電気モータと、該アクチュエータの負荷状態を検出又は推定する負荷検知手段と、該負荷検知手段により検出又は推定された該アクチュエータの負荷状態に基づき、該エンジンの始動停止と該電気モータの始動停止と該クラッチの断接とを統合制御する制御手段とをそなえ、該制御手段により、該負荷検知手段により検出又は推定された該アクチュエータの負荷状態が無負荷のときには、該クラッチを切断して該エンジンは停止状態に、該電気モータは作動状態にして、該電気モータにより該油圧ポンプを駆動させるような制御を行なうことを特徴としている。
【００１３】
また、該クラッチと該油圧ポンプとの間にフライホイールをそなえることが好ましく（請求項２）、より好ましくは、該フライホイールを該電気モータから該油圧ポンプの入力軸に動力を伝達するための動力伝達部材として構成する（請求項３）。
【００１４】
また、該制御手段により、該クラッチを切断して該エンジンを停止した後、該油圧ポンプの回転速度が所定値以下になったときに該電気モータに該油圧ポンプを駆動させるような制御を行なうことが好ましい（請求項４）。
また、該電気モータの回転速度を調整する回転速度調整手段をそなえ、該制御手段により、該電気モータによる該油圧ポンプの駆動時には該油圧ポンプの回転速度が通常運転時の回転速度よりも低い所定の回転速度に保たれるように該回転速度調整手段を制御することが好ましい（請求項５）。
【００１５】
また、オペレータが該アクチュエータを操作するための操作手段をそなえ、該制御手段により、該操作レバーが該アクチュエータを操作する方向に操作されたら該クラッチを接続し該エンジンを始動させるとともに、該電気モータによる該油圧ポンプの駆動を停止させるような制御を行なうことが好ましく（請求項６）、その際、該制御手段により、該エンジンを始動し該クラッチを接続してから所定時間は、該電気モータにより該油圧ポンプを駆動するような制御を行なうことがより好ましい（請求項７）。
【００１６】
また、該アクチュエータが複数そなえられるとともに、該油圧ポンプと上記複数のアクチュエータとの間に介装され上記複数のアクチュエータの中の任意のアクチュエータに該油圧ポンプから供給される作動油を送り込むコントロールバルブをそなえ、該操作手段により該コントロールバルブが操作されて作動油を送り込むべきアクチュエータが選択されるようにしてもよい（請求項８）。
【００１７】
また、該負荷検知手段は、該アクチュエータと該油圧ポンプとを結ぶ油圧回路上の油圧に基づき該アクチュエータの負荷状態を検出又は推定するものでもよく（請求項９）、該油圧ポンプの回転速度変化に基づき該アクチュエータの負荷状態を検出又は推定するものでもよく（請求項１０）、該操作手段の操作位置に基づき該アクチュエータの負荷状態を検出又は推定するものでもよい（請求項１１）。
【００１８】
また、該電気モータを該油圧ポンプからの駆動力の入力により発電機としても機能するように構成するとともに、該電気モータに接続され充電可能なバッテリと、該電気モータを発電機に切り換える切換手段とをそなえ、該制御手段により、該電気モータを駆動源として用いるときには該バッテリから該電気モータに電力を供給し、該電気モータを駆動源として用いないときには該切換手段を操作して該電気モータを発電機に切り換え、該油圧ポンプの入力軸からの駆動力の入力により発電した電力を該バッテリに充電するような制御を行なうことが好ましい（請求項１２）。
【００１９】
また、該バッテリの充電残量を検出又は推定する充電残量検知手段をそなえ、該制御手段により、該電気モータによる該油圧ポンプの駆動時に該充電残量検知手段により検出又は推定された該バッテリの充電残量が充電が必要な状態にまで低下したときには、該クラッチを接続し該エンジンを始動させるとともに、該切換手段を操作して該電気モータを発電機に切り換えるような制御を行なうことが好ましく（請求項１３）、その際、該エンジンの回転速度を通常運転時の回転速度よりも低い所定の回転速度に設定することがより好ましい（請求項１４）。
【００２０】
さらに、オペレータにより操作可能なパワーアップスイッチをそなえ、該制御手段により、該パワーアップスイッチがオンにされたときには、該エンジンによる該油圧ポンプの駆動中でも該切換手段を操作して該電気モータを発電機から駆動源に切り換えるような制御を行なうことが好ましく（請求項１５）、その際、該パワーアップスイッチがオンにされてから所定時間が経過したら、該切換手段を操作して該電気モータを再び発電機に切り換えるようにすることがより好ましい（請求項１６）。
【００２１】
そして、本発明の油圧式建設機械（請求項１７）は、上述したハイブリッド油圧システム（請求項１〜１６）のいずれかをそなえたことを特徴としている。
【００２２】
【発明の実施形態】
以下、図面により、本発明の実施の形態について説明する。
図１，図２は本発明の一実施形態としてのハイブリッド油圧システムについて示すものであり、ここでは建設機械の一種である油圧ショベルに適用した場合について示している。なお、本発明のハイブリッド油圧システムは油圧ショベルのみならず油圧機構を用いた建設機械一般に適用しうるものであり、さらには建設機械のみならず油圧機構を用いた機械一般に適用しうるものである。
【００２３】
以下、図１を参照しながら本実施形態のハイブリッド油圧システムの構成について説明する。
図１に示すように、本ハイブリッド油圧システムは、従来の油圧ショベルの油圧システムと同様に、作動油に油圧を発生させる油圧ポンプ１２，油圧ポンプ１２を駆動するエンジン７，複数のアクチュエータ１４，油圧ポンプ１２からアクチュエータ１４に作動油を供給するコントロールバルブ１３，作業レバー１６をそなえている。
【００２４】
まず、これらの各構成要素から説明すると、油圧ポンプ１２は油圧ショベルに通常用いられている一般的なポンプであり、回転運動により作動油を圧縮して油圧を発生させるようになっている。例えば、油圧ショベル用の油圧ポンプ１２としては、ギヤポンプ，ベーンポンプ，ピストンポンプ等を用いることができ、油圧ショベルの用途やその他の要求に応じて適宜のポンプが採用される。
【００２５】
油圧ポンプを駆動するエンジン７としては、一般にディーゼルエンジン（勿論、ガソリンエンジンでも可）が用いられる。エンジン７には燃料噴射装置７ａがそなえられ、燃料噴射装置７ａでは後述するコントローラ６からのエンジン制御信号により燃料噴射量を調整して機関回転速度を制御したり、燃料カットにより機関を停止したりするようになっている。例えば、燃料噴射装置７ａがメカニカルガバナーの場合には、コントローラ６からのエンジン制御信号によりアクチュエータがガバナレバーを動かして燃料噴射量を調整するようになっている。また、燃料噴射装置７ａが電子ガバナーの場合には、直接コントローラ６から電子ガバナーにエンジン制御信号が入力されて燃料噴射量を調整するようになっている。
【００２６】
アクチュエータ１４は、油圧ポンプ１２からコントロールバルブ１３を介して供給された作動油の油圧エネルギを機械的な動きに変換する装置である。油圧ショベルには目的に応じて複数のアクチュエータ１４がそなえられている。例えば、作業装置を動かすための油圧シリンダや、走行装置（車輪等）を動かすための走行モータ（油圧モータ）や、旋回装置（旋回ギヤ）を動かすための旋回モータ（油圧モータ）等である。
【００２７】
コントロールバルブ１３は、任意のアクチュエータ１４に油圧ポンプ１２から供給される作動油の油圧を送り込む装置であり、オペレータによる作業レバー（操作手段）１６の操作によって制御されるようになっている。作業レバー１６は各装置を動作させるための入力手段であり、油圧信号出力のものと電気信号出力ものとがある。コントロールバルブ１３では、作業レバー１６からの信号（油圧信号又は電気信号）により、内部油圧回路のスプールを動かして目的のアクチュエータ１４に作動油を供給するようになっている。
【００２８】
また、コントロールバルブ１３内には圧力スイッチ（負荷検知手段）１３ａがそなえられている。この圧力スイッチ１３ａはコントロールバルブ１３の内部油圧が所定値以上のときにオンになるスイッチである。前記所定値は装置が作動している時（即ち、アクチュエータ１４に負荷が作用している時）の油圧に設定されており、圧力スイッチ１３ａでは、オンになった時にはコントローラ６に信号（作業信号）を出力するようになっている。
【００２９】
本ハイブリッド油圧システムでは、上記構成要素に加えてさらに以下に説明するような構成要素をそなえている。
まず、エンジン７と油圧ポンプ１２との間には、エンジン７の出力軸７ｂと油圧ポンプ１２の入力軸１２ａとの出力の伝達を断接するクラッチ８が介装されている。クラッチ８はコントローラ６により制御され、コントローラ６からのクラッチ信号により断接が行なわれるようになっている。なお、クラッチ８としては一般的な油圧クラッチ又は電磁クラッチを用いることができるが、構成の簡素さの点で電磁クラッチを採用することが好ましい。
【００３０】
また、油圧ポンプ１２の入力軸１２ａには出力ギヤ１１が同軸に固設されている。この出力ギヤ１１はエンジン７及び後述する電気モータ９から出力される駆動力を外部に出力するための部材であり、エアコンのコンプレッサ等の駆動力はこの出力ギヤ１１から取り出している。また、この出力ギヤ１１は十分なイナーシャを持つべく大径に形成されており、クラッチ８が切断されエンジン７からの駆動力が断たれた時に慣性力によって油圧ポンプ１２を駆動するためのフライホイールとしても機能するようになっている。
【００３１】
そして、本ハイブリッド油圧システムでは、油圧ポンプ１２を駆動するための駆動源として、上述したエンジン７に加えてさらに電気モータ９をそなえている。電気モータ９はその出力軸をギヤ１０に連結されており、ギヤ１０は出力ギヤ１１に噛合している。このため、電気モータ９の出力はギヤ１０を介して出力ギヤ１１に伝達されるようになっている。この場合、出力ギヤ１１は電気モータ９の出力を油圧ポンプ１２に伝達するための動力伝達部材として機能するようになっている。
【００３２】
電気モータ９は一般的な直流モータでありその型式は問わない。ただし、後述するように出力ギヤ１１側からの回転の入力により発電機としても機能するような構成とする。電気モータ９への電力供給はバッテリ３により行なうようになっている。このバッテリ３は電気モータ９のみならず、他の電気／電子システム（例えば油圧ポンプ１２，エンジン７の制御システムや，エアコン，ライト，ラジオ等）１にも電源を供給するためのものであり、一般の充電可能な車載用２次電池を用いることができる。なお、バッテリ３からはその端子電圧がコントローラ６に入力されるようになっている。
【００３３】
また、電気モータ９のモータ出力が大きい場合には高圧で作動させるのが好ましいので、バッテリ３を電気モータ９専用の高圧バッテリとすることも可能である。この場合、他の電気／電子システム１への電力の供給には、２４Ｖ等の低圧バッテリを別に設けるか、若しくは降圧用コンバータで電気モータ９用の高圧バッテリからの電力を降圧させた上で供給するようにする。
【００３４】
電気モータ９の発電機への切り換えは、モード切換スイッチ（切換手段）２により行なわれるようになっている。モード切換スイッチ２はバッテリ３と電気モータ９との間の電気回路を動力側か充電側かに切り換える装置であり、一般的なリレーで構成することができる。モード切換スイッチ２はコントローラ６により制御され、コントローラ６からの切換信号によりモード切換が行なわれるようになっている。
【００３５】
そして、モード切換スイッチ２により回路が動力側に切り換えられた時には、電気はバッテリ３から電気モータ９に向けて流れるようになり、電気モータ９は駆動源として機能するようになっている。逆に、回路が充電側に切り換えられた時には、電気は電気モータ９からバッテリ３に向けて流れるようになり、電気モータ９は発電機として機能するようになっている。
【００３６】
モード切換スイッチ２により動力側に切り換えられた時の回路上には、モータ速度制御装置（回転速度調整手段）４が設けられている。モータ速度制御装置４はバッテリ３からの直流電源を電力制御して電気モータ９に送電する装置であり、公知のチョッパー回路等の半導体スイッチング回路で構成することが好ましい。
【００３７】
モータ速度制御装置４では、コントローラ６からのモータ制御信号（電圧信号，ＰＷＭ信号，ＦＭ信号等）を受けて０〜１００％の範囲で電力制御を行なうようになっている。０％の時には供給電力は０になって電気モータ９は停止し、１００％の時にはバッテリ３から電気モータ９に最大電力が供給されモータ速度は最大になる。つまり、モータ速度制御装置４では、コントローラ６からのモータ制御信号によってモータ速度を連続可変制御できるようになっているのである。
【００３８】
一方、モード切換スイッチ２により充電側に切り換えられた時の回路上には、定電圧電源装置５が設けられている。定電圧電源装置５は電気モータ９が発電機として機能する時、この発電機から入力された不安定な電力を定電圧化した上でバッテリ３側へ送電する装置であり、公知のスイッチングレギュレータ（降圧タイプ，昇圧タイプ共に可能）で構成することができる。この定電圧電源装置５をそなえることにより、発電機（電気モータ）９で発電した電力をバッテリ３へ充電しながら同時に電気／電子システム１に供給することが可能となり、電気モータ９を通常のオルタネータとして用いることができるようになっている。
【００３９】
さらに本ハイブリッド油圧システムでは、その機能要素としてピックアップ１７，パワーアップスイッチ１８，エコスイッチ１９及びスロットルダイヤル１５をそなえている。ピックアップ１７は出力ギヤ１１の円周面を臨むようにそなえられており、出力ギヤ１１の円周面に刻まれた歯の有無を検出するようになっている。そして、出力ギヤ１１の回転に伴い検出した歯の有無に応じて、コントローラ６にパルス信号（回転速度信号）を出力するようになっている。
【００４０】
パワーアップスイッチ１８，エコスイッチ１９及びスロットルダイヤル１５は、上述の作業レバー１６とともに図示しない操縦席にそなえられている。パワーアップスイッチ１８はより強い油圧を要求する時、エコスイッチ１９は省エネ運転を行なう時のために設けられられたスイッチであり、各スイッチ１８，１９を押すことによってそれぞれコントローラ６に信号が入力されるようになっている。また、スロットルダイヤル１５はエンジン７の回転速度を段階的或いは連続的に設定するための手段であり、例えば、ポテンシャルメータやロータリスイッチを用いることができる。
【００４１】
さらに上記の構成要素に加えて、操縦席にはキースイッチ２０がそなえられている。このキースイッチ２０はエンジンの始動又は停止させるためのものであり、オペレータがキースイッチ２０をオンにした時には、キースイッチ２０からコントローラ６に始動信号が入力され、逆にキースイッチ２０をオフにした時には、停止信号が入力されるようになっている。
【００４２】
以上、従来の油圧システムと同じ機能要素に加えて本ハイブリッド油圧システムにおいて新たに設けられた構成要素についても説明したが、これらを統合制御するコントローラ（制御手段）６の機能にも従来の油圧システムと比較して大きな相違がある。以下、図２に示す機能ブロック図を参照しながら本ハイブリッド油圧システムにかかるコントローラ６の機能について説明する。
【００４３】
図２に示すように、コントローラ６はその機能要素として、エンジン制御手段２１，クラッチ制御手段２２，モータ制御手段２３，運転切換制御手段２４，タイマ２５，充電判定手段２６，始動停止制御手段２７をそなえている。なお、コントローラ６はマイコンにより構成された一般的な電子制御装置であり（勿論、マイコンによらずロジック回路等であってもかまわない）、上記の各機能要素２１〜２７はマイコンを動作させるプログラムを適宜設計することによって（或いはロジック回路を適宜設計することによって）構成することができるようになっている。
【００４４】
各機能要素について説明すると、まず、エンジン制御手段２１はエンジン７の運転状態を制御する制御手段である。エンジン制御手段２１では、後述する運転切換制御手段２４，始動停止制御手段２７からの始動／停止信号，充電判定手段２６からの再始動信号及びスロットルダイヤル１５からのエンジン回転数設定信号に基づき、エンジン７の燃料噴射装置７ａに適宜エンジン制御信号を出力して、燃料噴射量を調整してエンジン回転速度を制御したり、燃料カットにより機関を停止させたりするようになっている。
【００４５】
具体的には、運転切換制御手段２４又は始動停止制御手段２７から停止信号が入力された時には、エンジン７を停止させるべく燃料噴射装置７ａに燃料噴射をカットさせるようになっている。逆に始動信号が入力された時には、エンジン７を始動させるべく燃料噴射装置７ａに燃料を噴射させるようになっている。ここで噴射される燃料は始動用に調整された量の燃料であり、始動後は通常運転時のエンジン回転速度（作業用エンジン回転速度）になるように燃料噴射装置７ａに燃料噴射量を制御させるようになっている。
【００４６】
また、エンジン７の停止時において充電判定手段２６から再始動信号が入力された時には、エンジン７を再始動させるべく燃料噴射装置７ａに始動可能な燃料噴射量を噴射させるとともに、エンジン７の再始動後は作業用エンジン回転速度よりも低い所定のエンジン回転速度（省エネエンジン回転速度）になるように燃料噴射装置７ａからの燃料噴射量を制御するようになっている。また、スロットルダイヤル１５からエンジン回転数設定信号が入力された時には、設定されたエンジン回転数を達成するように燃料噴射装置７ａからの燃料噴射量を適宜増減制御するようになっている。
【００４７】
クラッチ制御手段２２はクラッチ８の断接を制御する制御手段であり、後述する運転切換制御手段２４，始動停止制御手段２７及び充電判定手段２６からのクラッチ断接信号に基づきクラッチ８の断接制御を行なうようになっている。具体的には、運転切換制御手段２４又は始動停止制御手段２７からクラッチ切断信号が入力された時には、エンジン７を油圧ポンプ１２から切り離すべくクラッチ８を切断し、逆に運転切換制御手段２４，始動停止制御手段２７又は充電判定手段２６からクラッチ接続信号が入力された時には、エンジン７を油圧ポンプ１２に連結すべくクラッチ８を接続するようになっている。
【００４８】
次に、モータ制御手段２３について説明すると、モータ制御手段２３はモード切換スイッチ２とモータ速度制御装置４とを制御することによって電気モータ９の運転状態を制御する制御手段である。モータ制御手段２３では、後述する運転切換制御手段２４，充電判定手段２６からの動力側／充電側切換信号，始動停止制御手段２７からのクランキング信号，パワーアップスイッチ１８からのパワーアップ信号及びエコスイッチ１９からのエコ信号に基づき、モード切換スイッチ２にモード切換信号を出力して回路の動力側と充電側との切換を行なうとともに、モータ速度制御装置４にモータ制御信号を出力して電気モータ９のオン／オフやモータ回転速度を制御するようになっている。
【００４９】
具体的には、運転切換制御手段２４から動力側への切換信号が入力された時には、電気モータ９を油圧ポンプ１２の駆動源とすべくモード切換スイッチ２により回路を充電側から動力側に切り換えさせるとともに、所定のモータ回転速度（省エネ運転時モータ回転速度）になるようにモータ速度制御装置４に電気モータ９への電力供給量を調整させるようになっている。逆に運転切換制御手段２４又は充電判定手段２６から充電側への切換信号が入力された時には、電気モータ９を発電機として機能させるべくモード切換スイッチ２により回路を動力側から充電側に切り換えさせるようになっている。
【００５０】
また、始動停止制御手段２７からクランキング信号が入力された時には、エンジン７をクランキングすべくモード切換スイッチ２により回路を充電側から動力側に切り換えさせるとともに、電気モータ９への電力供給量を最大して所定のモータ回転速度（クランキング時モータ回転速度）になるようにモータ速度制御装置４を制御するようになっている。
【００５１】
また、通常運転時においてパワーアップスイッチ１８からパワーアップ信号が入力された時には、電気モータ９の出力をエンジン７の出力に加算すべくモード切換スイッチ２により回路を充電側から動力側に切り換えさせるとともに、所定のモータ回転速度（パワーアップ時モータ回転速度）になるようにモータ速度制御装置４に電気モータ９への電力供給量を調整させるようになっている。また、省エネ運転時においてエコスイッチ１９からエコ信号が入力された時には、モータ回転速度が省エネ運転時モータ回転速度よりもさらに低い第２省エネ運転時モータ回転速度になるようにモータ速度制御装置４に電気モータ９への電力供給量を調整させるようになっている。
【００５２】
次に、運転切換制御手段２４について説明すると、運転切換制御手段２４は装置の運転状態に応じて通常運転と省エネ運転との間で運転モードを切り換えるための制御手段であり、圧力スイッチ１３ａからの作業信号，ピックアップ１７からのパルス信号（回転速度信号）に基づき装置の運転状態を判断し、エンジン制御手段２１，クラッチ制御手段２２，モータ制御手段２３に適宜制御信号を出力して運転モードを切り換えるようになっている。
【００５３】
具体的には、運転切換制御手段２４では、圧力スイッチ１３ａからの作業信号が入力されている間は装置が稼動状態（即ち、アクチュエータ１４に負荷が作用している状態）にあるとみなすようになっている。そして、圧力スイッチ１３ａからの作業信号がオフになるとタイマ２５を作動させ、所定時間オフが続くと装置が待機状態（即ち、アクチュエータ１４が無負荷又は略無負荷状態）になったものと判定するようになっている。
【００５４】
装置が待機状態になったものと判定された場合、運転切換制御手段２４は、まず第１省エネ運転を行なうようになっている。第１省エネ運転では、クラッチ８を切断すべくクラッチ制御手段２２にクラッチ切断信号を出力し、続いてエンジン７を停止させるべくエンジン制御手段２１に停止信号を出力するようになっている。この第１省エネ運転によりエンジン７は停止し、油圧ポンプ１２はフライホイールとしての出力ギヤ１１の慣性によって回転駆動されるようになる。また、第１省エネ運転中において運転切換制御手段２４では、ピックアップ１７からの回転速度信号に基づき出力ギヤ１１の回転速度（油圧ポンプ１２の入力軸１２ａの回転速度）を演算し、演算した回転速度が所定値（省エネ運転時モータ回転速度に対応する値）以下まで低下したか否か判定するようになっている。
【００５５】
そして、出力ギヤ１１の回転速度が所定値以下まで低下したと判定された時には、第２省エネ運転を行なうようになっている。第２省エネ運転では、電気モータ９の機能を発電機から駆動源に切り換えて油圧ポンプ１２を駆動させるべく、モータ制御手段２３に駆動側への切換信号を出力するようになっている。この第２省エネ運転により油圧ポンプ１２は電気モータ９により所定の省エネ運転時モータ回転速度で回転駆動されるようになる。
【００５６】
一方、省エネ運転中（第１省エネ運転又は第２省エネ運転中）において圧力スイッチ１３ａからの作業信号がオンになった時には、運転切換制御手段２４では、まず、エンジン７を始動させるべくエンジン制御手段２１に始動信号を出力し、続いてクラッチ８を接続すべくクラッチ制御手段２２にクラッチ接続信号を出力するようになっている。そして、クラッチ接続信号の出力と同時にタイマ２５を作動させ、所定時間経過した時点で電気モータ９の機能を発電機に切り換えるくモータ制御手段２３に充電側への切換信号を出力するようになっている。
【００５７】
充電判定手段２６はバッテリ３の充電状態を判定して上記の第２省エネ運転でのバッテリ３の過放電を防止するための手段であり、内部に電圧計（充電残量検知手段）をそなえている。そして、バッテリ３から入力される端子電圧を計測し、計測した端子電圧が所定値以下になった時には、バッテリ３が充電残量が充電が必要な状態まで低下したものと判定するようになっている。
【００５８】
バッテリ３の充電残量が充電が必要な状態まで低下したものと判定された場合、充電判定手段２６では、電気モータ９の機能を発電機に切り換えるべくモータ制御手段２３に充電側への切換信号を出力するとともに、エンジン７によって油圧ポンプ１２を駆動すべくエンジン制御手段２１に再始動信号を出力し、クラッチ制御手段２２にクラッチ接続信号を出力するようになっている。
【００５９】
最後に始動停止制御手段２７について説明すると、始動停止制御手段２７はエンジン７の始動停止を行なう制御手段であり、上述の運転切換制御手段２４のような自動的にエンジン７を始動停止させるのではなく、オペレータのキースイッチ２０の操作を受けてエンジン制御手段２１，モータ制御手段２３に適宜制御信号を出力してエンジン７を始動停止させるようになっている。
【００６０】
具体的には、オペレータのキースイッチ２０のオン操作により始動信号が入力された時には、始動停止制御手段２７では、エンジン８を油圧ポンプ１２に連結すべくクラッチ制御手段２２にクラッチ接続信号を出力し、電気モータ９によってエンジン７をクランキングさせるべくモータ制御手段２３に動力側への切換信号を出力するとともに、エンジン７に始動用の燃料を噴射すべくエンジン制御手段２１に始動信号を出力するようになっている。逆に、オペレータのキースイッチ２０のオフ操作により停止信号が入力された時には、エンジン７への燃料噴射をカットすべくエンジン制御手段２１に停止信号を出力し、クラッチ８を切断すべくクラッチ制御手段２２にクラッチ切断信号を出力するようになっている。
【００６１】
本発明の一実施形態としてのハイブリッド油圧システムは上述のように構成されているので、本ハイブリッド油圧システムをそなえた油圧ショベルの運転時には次のような作用及び効果が得られる。以下、図３に示すタイムチャートを参照しながら本ハイブリッド油圧システムの作用及び効果について説明する。
まず、油圧ショベルの停止時（即ち、エンジン７，電気モータ９の停止時）においてオペレータが図示しないキースイッチを回すと、キースイッチからコントローラ６に始動信号が入力される。
【００６２】
この始動信号を受けてコントローラ６では、クラッチ８にクラッチ信号を出力してクラッチ８を接続するとともに、モード切換スイッチ２にモード切換信号を出力して回路を動力側に切換え、モータ速度制御装置４へのモータ制御信号を最大値にし、さらにエンジン７の燃料噴射装置７ａにエンジン制御信号を出力して始動時の燃料噴射量にセットする（ガバナの位置を始動時の燃料噴射位置にセットする）。これによりバッテリ３から電気モータ９へ最大の電力が供給され、電気モータ９はセルモータとして機能し、ギヤ１０，出力ギヤ（フライホイール）１１，クラッチ８を介してエンジン７をクランキングする。この電気モータ９によるクランキングによって燃料噴射装置７ａから噴射された燃料が着火し、エンジン７は始動する。
【００６３】
エンジン７の始動後、コントローラ６はモード切換スイッチ２にモード切換信号を出力して回路を充電側に切り換える。この回路の切換によりバッテリ３から電気モータ９への通電が断たれるため電気モータ９は動力発生源ではなくなるが、エンジン７が回転しているため、今度はクラッチ８，出力ギヤ（フライホイール）１１，ギヤ１０を介して電気モータ９がエンジン７により回転駆動されるようになり、電気モータ９は発電機（オルタネータ）として機能するようになる。そして、回路にそなえられた定電圧電源装置５によって安定化され、バッテリ３に充電されるとともに他の電気／電子システム１にも供給される。
【００６４】
エンジン７により油圧ポンプ１２を駆動している間は、一般的な油圧ショベルと同様にスロットルダイヤル１５を回すことによって任意のエンジン回転速度に設定することができ、エンジン回転速度に応じた大きさの油圧をコントロールバルブ１３に供給できる。そして、作業レバー１６を操作することによってコントロールバルブ１３から目的のアクチュエータ１４に油圧を送りこみ、作業装置に所望の動作を行なわせることができる。
【００６５】
このように作業装置を動作させている間は、圧力スイッチ１３ａから作業信号が入力されているが、図３に示すように作業を中断してアクチュエータ１４を動かさなくなると（時点ｔ０）、圧力スイッチ１３ａからの作業信号はオフになり、コントローラ６は所定時間tt１が経過したところで運転モードを通常運転から省エネ運転（第１省エネ運転）に切り換える（時点ｔ１）。
【００６６】
第１省エネ運転では、上述したようにクラッチ８を切り離した後、直ぐに燃料噴射装置７ａからの燃料噴射をカットしてエンジン７を停止させる。これにより油圧ポンプ１２への動力は断たれるが、アクチュエータ１４が作動しなていなため無負荷又は略無負荷であり、また、出力ギヤ（フライホイール）１１のイナーシャは十分に大きいため、出力ギヤ１１は徐々に回転速度を落としながらも暫くの間は回転し続ける。この間、油圧ポンプ１２は出力ギヤ１１の回転により駆動されるので、回転速度に応じた大きさの油圧が発生する。また、エンジン７は停止しているので、騒音振動は少なく燃料消費量は０となる。
【００６７】
オペレータが作業レバー１６を操作すると、圧力スイッチ１３ａからの作業信号はオンになり、コントローラ６は作業状態と認識する（時点ｔ２）。そして、燃料噴射装置７ａにエンジン制御信号を出力して始動用の燃料を噴射させるととともに、クラッチ８にクラッチ信号を出力してクラッチ８を接続する。このクラッチ８の接続によりエンジン７はクランキング状態になるが、電気モータ９がセルモータとして機能する時よりもはるかに速い回転速度でクランキングするので、エンジン７はほとんど遅れなく始動し、エンジン回転速度は所定の作業用エンジン回転速度まで速やかに上昇し、出力ギヤ１１の回転速度Ｎも作業用回転速度Ｎ1 まで速やかに上昇する。
【００６８】
この時、コントローラ６では、上記制御によってエンジン７を始動させるとともに、モード切換スイッチ２にモード切換信号を出力して電気モータ９を充電側から動力側へ切り換える。これによりクラッチ８の接続による負荷等によって出力ギヤ１１の回転速度Ｎが低下することが防止され、回転速度Ｎは作業用回転速度Ｎ1 まで速やかに上昇する。なお、この電気モータ９による始動補助はエンジン７の立ち上がりに一時的に行ない、上記の時点ｔ２から所定時間tt２が経過した後は、モード切換スイッチ２にモード切換信号を出力して電気モータ９を再び発電機として機能させる。
【００６９】
再び作業を中断してアクチュエータ１４を動かさなくなると（時点ｔ３）、コントローラ６は所定時間tt１が経過したところで運転モードを通常運転から省エネ運転（第１省エネ運転）に切り換える（時点ｔ４）。そして、出力ギヤ１１の回転速度Ｎが所定の回転速度（省エネ回転速度）Ｎ0 まで低下した時、コントローラ６は運転モードを通常運転から第１省エネ運転から第２省エネ運転に切り換える（時点ｔ５）。
【００７０】
第２省エネ運転では、上述したようにモード切換スイッチ２にモード切換信号を出力して回路を充電側から動力側に切り換える。これにより、バッテリ３からモータ速度制御装置４を介して発電機として機能していた電気モータ９は、本来のモータとして機能するようになり、ギヤ１０，出力ギヤ１１を介して油圧ポンプ１２に駆動力が伝達されるようになる。
【００７１】
この時、油圧ポンプ１２は無負荷のため、電気モータ９は小さい出力で出力ギヤ１１の回転速度Ｎを保持することができる。そして、コントローラ６はピックアップ１７からの回転速度信号に基づき算出される入力軸１２ａの回転速度Ｎをフィードバックしながらモータ速度制御装置４により電気モータ９への電力制御を行ない、出力ギヤ１１の回転速度Ｎが所定の省エネ回転速度Ｎ0に維持されるように制御する。これにより、長時間の作業待ち状態が続いた場合でも電気モータ９による駆動によって一定の油圧が維持される。また、エンジン７は停止しているので、騒音振動は少なく燃料消費量は０となる。
【００７２】
オペレータが作業レバー１６を操作すると、圧力スイッチ１３ａからの作業信号はオンになり、コントローラ６は作業状態と認識する（時点ｔ６）。そして、燃料噴射装置７ａにエンジン制御信号を出力して始動用の燃料を噴射させるとともに、クラッチ８にクラッチ信号を出力してクラッチ８を接続する。このクラッチ８の接続によりエンジン７はクランキング状態になるが、電気モータ９による駆動と出力ギヤ１１のイナーシャとによってエンジン７はほとんど遅れなく始動し、出力ギヤ１１の回転速度Ｎは作業用回転速度Ｎ1 まで速やかに上昇する。ただし、電気モータ９による始動補助はエンジン７の立ち上がりに一時的に行ない、上記の時点ｔ６から所定時間tt２が経過した後は、モード切換スイッチ２にモード切換信号を出力して電気モータ９を発電機として機能させる。
【００７３】
なお、上記省エネ回転速度Ｎ0 は、作業用回転速度Ｎ1 よりは十分に低いがエンジン７の始動時のアイドル回転速度よりは高い値（例えば、１０００ｒｐｍ〜１５００ｒｐｍ）である。このような回転速度Ｎ0 を選定することにより出力ギヤ１１のイナーシャと相まって大きなエネルギが維持されるようになり、作業レバー１６の操作による油圧ポンプ１２よりも下流側での負荷投入やエンジン始動時のクラッチ８の接続による負荷の影響が少なく、出力ギヤ１１の回転速度Ｎは作業レバー１６の操作に対して応答遅れなく立ち上がるようになる。
【００７４】
また、コントローラ６は常にバッテリ３の充電状態を端子電圧に基づきセンシングしており、上記第２省エネ運転中においてバッテリ３の充電残量が充電が必要な状態まで低下した時には、直ちにモード切換スイッチ２にモード切換信号を出力して回路を充電側に切り換える。そして、エンジン噴射制御信号を出力して始動燃料を噴射するとともにクラッチ信号を出力してクラッチ８を接続し、エンジン７をクランキングして始動させる。始動後は出力ギヤ１１の回転速度Ｎが省エネ回転速度Ｎ0 に維持されるようにエンジン回転速度を制御する。これにより、電気モータ９はクラッチ８，出力ギヤ１１，ギヤ１０を介してエンジン７によって駆動され発電機として機能するようになり、バッテリ３の過放電が防止される。
【００７５】
また、長時間のダンプ待ちのように待機状態が長く続く場合には、オペレータの判断によりエコスイッチ１９を押すこともできる。このエコスイッチ１９が押されると、コントローラ６はモータ速度制御手段４にモータ制御信号を出力し、出力ギヤ１１の回転速度Ｎが省エネ回転速度Ｎ0 よりもさらに低い第２省エネ回転速度Ｎ2 （例えば８００ｒｐｍ）になるようにモータ回転速度を下げさせる。これにより待機状態での騒音振動が更に低減するとともに、バッテリ３の放電速度が低下してバッテリ３が充電を要する状態になるまでの時間が延ばされる。
【００７６】
なお、再度エコスイッチ１９を押した場合には、コントローラ６はモータ速度制御手段４にモータ制御信号を出力し、出力ギヤ１１の回転速度Ｎが通常の省エネ回転速度Ｎ0 に戻るようにモータ回転速度を上昇させる。また、作業レバー１６を操作した場合には、コントローラ６は作業状態に復帰したと認識して上述したようにクラッチ８を接続しエンジン７を始動させるとともに、始動後は電気モータ９の機能を駆動源から発電機に切り換える。
【００７７】
さらに、作業状態においてより大きな作業能力が要求される場合には、オペレータの判断によりパワーアップスイッチ１８を押すこともできる。このパワーアップスイッチ１８が押されるとコントローラ６はパワーアップ制御を開始する。即ち、モード切換スイッチ２にモード切換信号を出力して回路を充電側から動力側に切り換えるとともに、モータ速度制御手段４にモータ制御信号を出力してモータ回転速度を所定値に設定する。これによりエンジン７の駆動力に電気モータ９の駆動力が加算され、油圧ショベルの作業能力が大きく向上する。ただし、パワーアップ制御が一定時間続いた時は、コントローラ６は自動的にモード切換スイッチ２にモード切換信号を出力して回路を動力側から充電側に切り換える。これにより電気モータ９の焼損やバッテリ３の過放電が防止される。
【００７８】
このように本ハイブリッド油圧システムによれば、圧力スイッチ１３ａからの作業信号が所定時間入力されなかった時には、クラッチ８を切断してエンジン７を停止するので、騒音振動が少なく無駄な燃料を消費しないという利点がある。また、エンジン７を停止した後も油圧ポンプ１２の入力軸１２ａは出力ギヤ（フライホイール）１１のイナーシャによって回転しているので、クラッチ８を接続するだけで直ぐにエンジン７を始動させることができ、速やかに作業復帰することができるという利点がある。
【００７９】
そして、待機状態が続き出力ギヤ１１の回転速度Ｎが低下してきた時には、電気モータ９によって入力軸１２ａを駆動して所定の省エネ回転速度Ｎ0 に維持するので、待機状態が続いた場合でもいつでも直ぐにエンジン７を始動させることができ、速やかに作業復帰することができるという利点がある。さらに、作業状態に復帰する時にはエンジン７が立ち上がるまでの間電気モータ９を駆動状態にするので、クラッチ８の接続に伴う負荷等による回転速度Ｎの低下を防止して速やかに作業状態に復帰することができるという利点がある。
【００８０】
また、バッテリ３の充電残量は端子電圧に基づき常にウオッチしており、充電残量が低下した時には電気モータ９を発電機に切り換えるのでバッテリ３が過放電してしまうことを防止することができるという利点もある。また、電気モータ９は発電機（オルタネータ）として機能するとともに、エンジン７の始動時にはセルモータとしても機能するので、オルタネータとセルモータとを別に設ける必要がなく部品点数を削減することができるという利点がある。
【００８１】
さらに、この電気モータ９は作業中断時の無負荷状態での回転速度維持を目的としたものであるので、小型化することができるという利点もある。また、出力ギヤ１１をフライホイールとして用いるとともに、電気モータ９の出力を入力軸１２ａに伝達するための動力伝達部材としても用いることによっても、部品点数を削減することができるという利点がある。
【００８２】
また、出力ギヤ（フライホイール）１１はその慣性力によってエンジン７が停止した後も回転し続け、回転速度が低下した時には電気モータ９によって駆動されるので、待機状態となり自動的にエンジン７が停止した時でもエアコンのコンプレッサを駆動することができ、オペレータはエアコンを使用し続けることができるという利点がある。
【００８３】
さらに、長時間待機状態が続くような場合には、エコスイッチ１８を押すことにより出力ギヤ１１の回転速度Ｎを省エネ回転速度Ｎ0 よりも低い第２省エネ回転速度Ｎ2 に設定することができるので、さらに騒音振動を低減することができるとともに、バッテリ３が放電されるまでの時間を延ばすことができるという利点もある。そして、この場合でも作業状態への復帰時には出力ギヤ１１のイナーシャと相まってスムーズにエンジン７を始動することができる。
【００８４】
さらに、作業状態においてパワーアップスイッチ１８を押した場合には、エンジン７の駆動力に電気モータ９の駆動力を加算して油圧ショベルの作業能力を大きく向上させることができるという利点がある。また、このパワーアップ制御には一定のタイムリミットが設けられているので、電気モータ９の焼損やバッテリ３の過放電を防止することができるという利点もある。
【００８５】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、上述の実施形態では、バッテリ３の端子電圧からバッテリ３の充電残量を推定するようになっているが、バッテリ３内に比重センサ（充電残量検知手段）をそなえて検出したバッテリ液の比重から充電残量を推定するようにしてもよい。また、電圧，電流を積算時間から推定することも可能である。
【００８６】
また、上述の実施形態では、負荷検知手段として圧力スイッチ１３ａをそなえ、コントロールバルブ１３の油圧回路内の油圧に基づき装置が待機状態か否か判定するようになっているが、これに限らず作業レバー１６の操作位置を検出して操作位置が中立位置であれば待機状態であると判定するようにしてもよい。さらに、ピックアップ１７により検出される出力ギヤ１１の回転速度Ｎの変化（回転速度Ｎの落ち込み具合）から装置が作業状態か又は待機状態かを判定するようにしてもよい。例えば、回転速度Ｎの落ち込みが大きい時には装置に負荷がかかっているのと判断することができる。
【００８７】
また、上述の実施形態では、出力ギヤ１１をギヤ１０と噛合させることにより電気モータ２と油圧ポンプ１２との間の動力伝達を行なっているが、ベルトとプーリ（一方のプーリはフライホイールと兼用）により動力を伝達するようにしてもよい。さらに、図４に示すように、電気モータ９を油圧ポンプ１２の入力軸１２ａと同軸に配設し、電気モータ９のロータを入力軸１２ａと一体に構成するようにしてもよい。
【００８８】
また、上述の実施形態では、電気モータ９として直流モータをそなえているが、ベクトル制御やインバータ等の公知の技術を用いることによって交流モータをそなえることも可能である。ただし、この場合には電気モータ（交流モータ）は回生能力を有することが前提であり、当然ながらモータ速度制御装置４，定電圧電源装置５は交流に対応したものにする必要がある。
【００８９】
さらに、コントローラ６による制御方法についても上述の実施形態に限定されず種々の制御方法が可能である。例えば、上述の実施形態ではオペレータがパワーアップスイッチ１８を押すことによってパワーアップ制御を実行しているが、アクチュエータ１４の負荷を検出し、検出した負荷の大きさに応じて電気モータ９によるアシストを行なうようにすることもできる。
【００９０】
また、検出したアクチュエータ１４の負荷が小さい場合には、クラッチ８を切離してエンジン７を停止し、電気モータ９のみによって油圧ポンプ１２を駆動することもできる。さらに、外部から電力供給を受けるようにすることによって、エンジン７を停止しクラッチ８を切り、電気モータ９のみで油圧ポンプ１２を駆動すれば排気ガスの全く出ない電気ショベルとして機能させることができる。
【００９１】
即ち、本発明のハイブリッド油圧システムによれば、アクチュエータ１４の負荷状態に応じたエンジン７，電気モータ９及びクラッチ８の統合制御が可能であり、油圧ショベルをはじめとした油圧式建設機械の作業状況に応じた最適な油圧制御を行なうことができる。
【００９２】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明のハイブリッド油圧システム（請求項１〜１６）によれば、検出又は推定されたアクチュエータの負荷状態に基づき、エンジンの始動停止と電気モータの始動停止とクラッチの断接とを統合制御することによって、アクチュエータの使用状況に応じた最適な油圧制御を行なうことができるという利点がある。
【００９３】
特に、検出又は推定されたアクチュエータの負荷状態が無負荷のときにはクラッチを切断しエンジンを停止状態にして、電気モータにより油圧ポンプを駆動させるようにするので、待機状態での騒音振動を大幅に低減できるとともに無駄な燃料消費を無くすことができ、加えて速やかな作業復帰も可能になるという利点がある。
【００９４】
また、クラッチと油圧ポンプとの間にフライホイールをそなえるようにすれば、エンジンを停止した後も油圧ポンプはフライホイールのイナーシャによって回転しているので、クラッチを接続するだけで直ぐにエンジンを始動させることができ、速やかに作業復帰することができるという利点があり（請求項２）、その際、フライホイールを電気モータから油圧ポンプの入力軸に動力を伝達するための動力伝達部材として構成するようにすれば、部品点数を増加させることもない（請求項３）。
【００９５】
また、クラッチを切断してエンジンを停止した後、油圧ポンプの回転速度が所定値以下になったときに電気モータに油圧ポンプを駆動させるようにすれば、電気モータによる電気の消費を抑えることができるという利点がある（請求項４）。また、油圧ポンプの回転速度が通常運転時の回転速度よりも低い所定の回転速度に保たれるように電気モータの回転速度を調整するようにすれば、より騒音振動を低減することができるという利点がある（請求項５）。
【００９６】
また、操作レバーがアクチュエータを操作する方向に操作されたらクラッチを接続しエンジンを始動させるとともに、電気モータによる油圧ポンプの駆動を停止させるようにすれば、オペレータの意思に応じた速やかな作業復帰が可能になるという利点があり（請求項６）、特に、エンジンを始動しクラッチを接続してから所定時間は電気モータにより油圧ポンプを駆動するようにすれば、クラッチの接続に伴う負荷によってエンジン回転速度が低下することを防止して速やかな作業復帰が可能になるという利点がある（請求項７）。
【００９７】
また、電気モータを駆動源として用いるときにはバッテリから電気モータに電力を供給し、電気モータを駆動源として用いないときには発電機に切り換えて発電した電力をバッテリに充電するようにすれば、外部から電力を供給することなく電気モータを作動させることができるという利点があり、また、オルタネータを別に設ける必要がなく部品点数を削減することができるという利点もある（請求項１２）。
【００９８】
また、電気モータによる油圧ポンプの駆動時にバッテリの充電残量が充電が必要な状態にまで低下したときには、クラッチを接続しエンジンを始動させるとともに電気モータを発電機に切り換えるようにすれば、バッテリの過放電を防止することができるという利点があり（請求項１３）、その際、エンジンの回転速度を通常運転時の回転速度よりも低い所定の回転速度に設定するようにすれば、騒音振動を低減することができる（請求項１４）。
【００９９】
さらに、パワーアップスイッチがオンにされたときにはエンジンによる油圧ポンプの駆動中でも電気モータを発電機から駆動源に切り換えるようにすれば、エンジンの駆動力に電気モータの駆動力を加算してアクチュエータの作業能力を大きく向上させることができるという利点があり（請求項１５）、その際、パワーアップスイッチがオンにされてから所定時間が経過したら電気モータを再び発電機に切り換えるようにすれば、バッテリの過放電や電気モータの焼損を防止することができるという利点がある（請求項１６）。
【０１００】
そして、本発明の油圧式建設機械（請求項１７）によれば、上述したハイブリッド油圧システム（請求項１〜１６）をそなえることによって、待機後の速やかな作業復帰と待機状態での燃料浪費及び騒音振動の大幅な低減とを両立することができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態としてのハイブッリド油圧システムの構成を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態としてのハイブッリド油圧システムにかかるコントローラの機能を示す機能ブロック図である。
【図３】本発明の一実施形態としてのハイブッリド油圧システムの動作を説明するためのタイムチャートである。
【図４】本発明の一実施形態としてのハイブッリド油圧システムの構成の変形例を示す図である。
【図５】従来の油圧システムの構成を示す図である。
【図６】従来の油圧システムの動作を説明するためのタイムチャートである。
【符号の説明】
１ 電気／電子システム
２ モード切換スイッチ（切換手段）
３ バッテリ
４ モータ速度制御装置（回転速度調整手段）
５ 定電圧電源装置
６ コントローラ（制御手段）
７ エンジン
７ａ 燃料噴射装置
８ クラッチ
９ 電気モータ
１０ ギヤ
１１ 出力ギヤ（フライホイール）
１２ 油圧ポンプ
１３ コントロールバルブ
１３ａ 圧力スイッチ（負荷検知手段）
１４ アクチュエータ
１５ スロットルダイヤル
１６ 作業レバー（操作手段）
１７ ピックアップ
１８ パワーアップスイッチ
１９ エコスイッチ
２０ キースイッチ
【発明の属する技術分野】
本発明は、油圧ショベル等の油圧機構を用いた建設機械の油圧システムに用いて好適の、エンジンと電気モータとをポンプの駆動源として併用したハイブリッド油圧システム、及び、油圧ショベル等に用いて好適の、油圧式建設機械に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ショベル等の建設機械ではその機構として機械式と油圧式とがあるが、掘削力等の力の強さや構造の簡単さなどの利点から、油圧式が主流になっている。図５は、従来の油圧ショベル等の油圧機構を用いた建設機械に用いられる油圧システムのシステム構成図である。
【０００３】
図５に示すように、従来の油圧システムは、油圧ポンプ３１とエンジン（ディーゼルエンジン）３２とをそなえ、エンジン３２により油圧ポンプ３１を駆動して作動油に油圧を発生させるようになっている（エンジン３２の始動はセルモータ３６によって行なう）。発生する油圧エネルギの大きさは油圧ポンプ３１の仕事量に応じて決まるが、ここでは、コントローラ（制御手段）３０によりエンジン３２の回転速度を制御し、大きな油圧エネルギが必要な場合にはエンジン回転速度を上昇させて油圧ポンプ３１の仕事量を増大させ、逆に大きな油圧エネルギを必要しない場合にはエンジン回転速度を低下させて油圧ポンプ３１の仕事量を減少させるようになっている。
【０００４】
そして、発生した油圧により作動油はコントロールバルブ３３を介して必要な流量に調整され各アクチュエータ３４に送り込まれ、各装置（例えば、走行装置，旋回装置，作業装置）の機械的な動きに変換されるようになっている。油圧エネルギを供給すべきアクチュエータ３４の選択は、作業レバー３５を操作することによって行なわれる。すなわち、作業レバー３５を操作することにより操作信号がコントロールバルブ３３に送信され、コントロールバルブ３３では内部の油圧回路のスプールを動かして、目的のアクチュエータ３４に作動油を供給するようになっているのである。
【０００５】
アクチュエータ３４に作動油が送り込まれている時には油圧は増加する。従って、コントロールバルブ３３内の油圧を検出することによって、その大きさから機械が作業中であるか否かを判断することができる。図５に示す従来の油圧システムでは、コントロールバルブ３３の内部油圧回路内に所定の圧力スイッチ３３ａを設けて、油圧が所定値以上になった時には機械が作業中であることを示す作業信号をコントローラ３０に入力するようになっている。
【０００６】
上記のような油圧システムをそなえた建設機械、例えば油圧ショベルの使い方の代表的なものとして、ダンプ積込み作業がある。ダンプ積込み作業とは、油圧ショベルで土を堀り、掘った土をダンプカーに積み込む作業であるが、荷台の土が満杯になった時にはダンプカーの入替えが行なわれるため、その入替えの間は油圧ショベルは待機状態となる。
【０００７】
この待機状態の間は外部への仕事がないため油圧ポンプ３１を駆動して油圧エネルギを発生させる必要はなく、逆に油圧ポンプ３１を駆動するための無駄な燃料を消費するだけとなる。しかしながら、一旦エンジン３２を停止してしまうと次に作業復帰するときに始動操作のためのロスタイムが発生してしまい、また、エンジン３２は始動後直ぐには回転が立ち上がらない。さらに、エンジン３２が回転してから油圧が所要のレベルまで立ち上がるには、やはり幾らかの時間がかかり、作業復帰までにさらにロスタイムが発生してしまうことになる。また、エンジン３２を停止するとエアコン等の快適装備も働かなくなってしまう。
【０００８】
以上のようにエンジン３２を停止させると無駄な燃料消費はなくなるものの、様々な不具合が発生してしまう。そこで、従来、待機時にはエンジン３２を停止するのではなくエンジン３２の回転速度を低下させ、これにより燃料消費を低減するとともに直ぐに油圧が立ち上がるようにしていた。このエンジン回転速度を低下させる操作は運転者のスロットルダイヤルの操作によっても勿論可能であるが、従来の油圧システムでは、待機状態になると自動的にエンジン回転速度を低下させる制御が行なわれていた。
【０００９】
この制御はオートエンジンコントロール（ＡＥＣ）と呼ばれるものであり、図６に示すように、コントロールバルブ３３から作業信号が所定時間入力されなかった時（即ち、作業レバー３５が所定時間操作されなかった時）には、コントローラ３０からエンジン３２に回転速度指令信号を送信してエンジン３２の回転速度を低下させるようになっている。そして、コントロールバルブ３３から作業信号が入力され時（即ち、作業レバーが操作され時）、再びコントローラ３０からエンジン３２に回転速度指令信号を送信し、元の回転速度まで復帰させるようになっている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の油圧システムにかかる制御方法（ＡＥＣ）では、エンジン回転速度は低下してはいるものの、エンジン３２が動作しているのには変わり無く、燃料の無駄な消費が全くなくなるわけではない。また、エンジン３２が動作している以上は騒音や振動が発生することは避けられない。このように従来の油圧システムでは、待機後の速やかな作業復帰と待機状態における燃料消費の低減及び騒音振動の低減との両立という点においては不十分であった。
【００１１】
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、エンジンと電気モータとをポンプの駆動源として併用することによって、待機後の速やかな作業復帰と待機状態での燃料浪費及び騒音振動の大幅な低減とを両立できるようにした、ハイブリッド油圧システム及び油圧式建設機械を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明のハイブリッド油圧システムでは、油圧を機械的動きに変換するアクチュエータと、該アクチュエータに作動油を供給する油圧ポンプと、該油圧ポンプを駆動するエンジンと、該エンジンの出力軸と該油圧ポンプの入力軸との間に介装されたクラッチと、該油圧ポンプの入力軸に連結された電気モータと、該アクチュエータの負荷状態を検出又は推定する負荷検知手段と、該負荷検知手段により検出又は推定された該アクチュエータの負荷状態に基づき、該エンジンの始動停止と該電気モータの始動停止と該クラッチの断接とを統合制御する制御手段とをそなえ、該制御手段により、該負荷検知手段により検出又は推定された該アクチュエータの負荷状態が無負荷のときには、該クラッチを切断して該エンジンは停止状態に、該電気モータは作動状態にして、該電気モータにより該油圧ポンプを駆動させるような制御を行なうことを特徴としている。
【００１３】
また、該クラッチと該油圧ポンプとの間にフライホイールをそなえることが好ましく（請求項２）、より好ましくは、該フライホイールを該電気モータから該油圧ポンプの入力軸に動力を伝達するための動力伝達部材として構成する（請求項３）。
【００１４】
また、該制御手段により、該クラッチを切断して該エンジンを停止した後、該油圧ポンプの回転速度が所定値以下になったときに該電気モータに該油圧ポンプを駆動させるような制御を行なうことが好ましい（請求項４）。
また、該電気モータの回転速度を調整する回転速度調整手段をそなえ、該制御手段により、該電気モータによる該油圧ポンプの駆動時には該油圧ポンプの回転速度が通常運転時の回転速度よりも低い所定の回転速度に保たれるように該回転速度調整手段を制御することが好ましい（請求項５）。
【００１５】
また、オペレータが該アクチュエータを操作するための操作手段をそなえ、該制御手段により、該操作レバーが該アクチュエータを操作する方向に操作されたら該クラッチを接続し該エンジンを始動させるとともに、該電気モータによる該油圧ポンプの駆動を停止させるような制御を行なうことが好ましく（請求項６）、その際、該制御手段により、該エンジンを始動し該クラッチを接続してから所定時間は、該電気モータにより該油圧ポンプを駆動するような制御を行なうことがより好ましい（請求項７）。
【００１６】
また、該アクチュエータが複数そなえられるとともに、該油圧ポンプと上記複数のアクチュエータとの間に介装され上記複数のアクチュエータの中の任意のアクチュエータに該油圧ポンプから供給される作動油を送り込むコントロールバルブをそなえ、該操作手段により該コントロールバルブが操作されて作動油を送り込むべきアクチュエータが選択されるようにしてもよい（請求項８）。
【００１７】
また、該負荷検知手段は、該アクチュエータと該油圧ポンプとを結ぶ油圧回路上の油圧に基づき該アクチュエータの負荷状態を検出又は推定するものでもよく（請求項９）、該油圧ポンプの回転速度変化に基づき該アクチュエータの負荷状態を検出又は推定するものでもよく（請求項１０）、該操作手段の操作位置に基づき該アクチュエータの負荷状態を検出又は推定するものでもよい（請求項１１）。
【００１８】
また、該電気モータを該油圧ポンプからの駆動力の入力により発電機としても機能するように構成するとともに、該電気モータに接続され充電可能なバッテリと、該電気モータを発電機に切り換える切換手段とをそなえ、該制御手段により、該電気モータを駆動源として用いるときには該バッテリから該電気モータに電力を供給し、該電気モータを駆動源として用いないときには該切換手段を操作して該電気モータを発電機に切り換え、該油圧ポンプの入力軸からの駆動力の入力により発電した電力を該バッテリに充電するような制御を行なうことが好ましい（請求項１２）。
【００１９】
また、該バッテリの充電残量を検出又は推定する充電残量検知手段をそなえ、該制御手段により、該電気モータによる該油圧ポンプの駆動時に該充電残量検知手段により検出又は推定された該バッテリの充電残量が充電が必要な状態にまで低下したときには、該クラッチを接続し該エンジンを始動させるとともに、該切換手段を操作して該電気モータを発電機に切り換えるような制御を行なうことが好ましく（請求項１３）、その際、該エンジンの回転速度を通常運転時の回転速度よりも低い所定の回転速度に設定することがより好ましい（請求項１４）。
【００２０】
さらに、オペレータにより操作可能なパワーアップスイッチをそなえ、該制御手段により、該パワーアップスイッチがオンにされたときには、該エンジンによる該油圧ポンプの駆動中でも該切換手段を操作して該電気モータを発電機から駆動源に切り換えるような制御を行なうことが好ましく（請求項１５）、その際、該パワーアップスイッチがオンにされてから所定時間が経過したら、該切換手段を操作して該電気モータを再び発電機に切り換えるようにすることがより好ましい（請求項１６）。
【００２１】
そして、本発明の油圧式建設機械（請求項１７）は、上述したハイブリッド油圧システム（請求項１〜１６）のいずれかをそなえたことを特徴としている。
【００２２】
【発明の実施形態】
以下、図面により、本発明の実施の形態について説明する。
図１，図２は本発明の一実施形態としてのハイブリッド油圧システムについて示すものであり、ここでは建設機械の一種である油圧ショベルに適用した場合について示している。なお、本発明のハイブリッド油圧システムは油圧ショベルのみならず油圧機構を用いた建設機械一般に適用しうるものであり、さらには建設機械のみならず油圧機構を用いた機械一般に適用しうるものである。
【００２３】
以下、図１を参照しながら本実施形態のハイブリッド油圧システムの構成について説明する。
図１に示すように、本ハイブリッド油圧システムは、従来の油圧ショベルの油圧システムと同様に、作動油に油圧を発生させる油圧ポンプ１２，油圧ポンプ１２を駆動するエンジン７，複数のアクチュエータ１４，油圧ポンプ１２からアクチュエータ１４に作動油を供給するコントロールバルブ１３，作業レバー１６をそなえている。
【００２４】
まず、これらの各構成要素から説明すると、油圧ポンプ１２は油圧ショベルに通常用いられている一般的なポンプであり、回転運動により作動油を圧縮して油圧を発生させるようになっている。例えば、油圧ショベル用の油圧ポンプ１２としては、ギヤポンプ，ベーンポンプ，ピストンポンプ等を用いることができ、油圧ショベルの用途やその他の要求に応じて適宜のポンプが採用される。
【００２５】
油圧ポンプを駆動するエンジン７としては、一般にディーゼルエンジン（勿論、ガソリンエンジンでも可）が用いられる。エンジン７には燃料噴射装置７ａがそなえられ、燃料噴射装置７ａでは後述するコントローラ６からのエンジン制御信号により燃料噴射量を調整して機関回転速度を制御したり、燃料カットにより機関を停止したりするようになっている。例えば、燃料噴射装置７ａがメカニカルガバナーの場合には、コントローラ６からのエンジン制御信号によりアクチュエータがガバナレバーを動かして燃料噴射量を調整するようになっている。また、燃料噴射装置７ａが電子ガバナーの場合には、直接コントローラ６から電子ガバナーにエンジン制御信号が入力されて燃料噴射量を調整するようになっている。
【００２６】
アクチュエータ１４は、油圧ポンプ１２からコントロールバルブ１３を介して供給された作動油の油圧エネルギを機械的な動きに変換する装置である。油圧ショベルには目的に応じて複数のアクチュエータ１４がそなえられている。例えば、作業装置を動かすための油圧シリンダや、走行装置（車輪等）を動かすための走行モータ（油圧モータ）や、旋回装置（旋回ギヤ）を動かすための旋回モータ（油圧モータ）等である。
【００２７】
コントロールバルブ１３は、任意のアクチュエータ１４に油圧ポンプ１２から供給される作動油の油圧を送り込む装置であり、オペレータによる作業レバー（操作手段）１６の操作によって制御されるようになっている。作業レバー１６は各装置を動作させるための入力手段であり、油圧信号出力のものと電気信号出力ものとがある。コントロールバルブ１３では、作業レバー１６からの信号（油圧信号又は電気信号）により、内部油圧回路のスプールを動かして目的のアクチュエータ１４に作動油を供給するようになっている。
【００２８】
また、コントロールバルブ１３内には圧力スイッチ（負荷検知手段）１３ａがそなえられている。この圧力スイッチ１３ａはコントロールバルブ１３の内部油圧が所定値以上のときにオンになるスイッチである。前記所定値は装置が作動している時（即ち、アクチュエータ１４に負荷が作用している時）の油圧に設定されており、圧力スイッチ１３ａでは、オンになった時にはコントローラ６に信号（作業信号）を出力するようになっている。
【００２９】
本ハイブリッド油圧システムでは、上記構成要素に加えてさらに以下に説明するような構成要素をそなえている。
まず、エンジン７と油圧ポンプ１２との間には、エンジン７の出力軸７ｂと油圧ポンプ１２の入力軸１２ａとの出力の伝達を断接するクラッチ８が介装されている。クラッチ８はコントローラ６により制御され、コントローラ６からのクラッチ信号により断接が行なわれるようになっている。なお、クラッチ８としては一般的な油圧クラッチ又は電磁クラッチを用いることができるが、構成の簡素さの点で電磁クラッチを採用することが好ましい。
【００３０】
また、油圧ポンプ１２の入力軸１２ａには出力ギヤ１１が同軸に固設されている。この出力ギヤ１１はエンジン７及び後述する電気モータ９から出力される駆動力を外部に出力するための部材であり、エアコンのコンプレッサ等の駆動力はこの出力ギヤ１１から取り出している。また、この出力ギヤ１１は十分なイナーシャを持つべく大径に形成されており、クラッチ８が切断されエンジン７からの駆動力が断たれた時に慣性力によって油圧ポンプ１２を駆動するためのフライホイールとしても機能するようになっている。
【００３１】
そして、本ハイブリッド油圧システムでは、油圧ポンプ１２を駆動するための駆動源として、上述したエンジン７に加えてさらに電気モータ９をそなえている。電気モータ９はその出力軸をギヤ１０に連結されており、ギヤ１０は出力ギヤ１１に噛合している。このため、電気モータ９の出力はギヤ１０を介して出力ギヤ１１に伝達されるようになっている。この場合、出力ギヤ１１は電気モータ９の出力を油圧ポンプ１２に伝達するための動力伝達部材として機能するようになっている。
【００３２】
電気モータ９は一般的な直流モータでありその型式は問わない。ただし、後述するように出力ギヤ１１側からの回転の入力により発電機としても機能するような構成とする。電気モータ９への電力供給はバッテリ３により行なうようになっている。このバッテリ３は電気モータ９のみならず、他の電気／電子システム（例えば油圧ポンプ１２，エンジン７の制御システムや，エアコン，ライト，ラジオ等）１にも電源を供給するためのものであり、一般の充電可能な車載用２次電池を用いることができる。なお、バッテリ３からはその端子電圧がコントローラ６に入力されるようになっている。
【００３３】
また、電気モータ９のモータ出力が大きい場合には高圧で作動させるのが好ましいので、バッテリ３を電気モータ９専用の高圧バッテリとすることも可能である。この場合、他の電気／電子システム１への電力の供給には、２４Ｖ等の低圧バッテリを別に設けるか、若しくは降圧用コンバータで電気モータ９用の高圧バッテリからの電力を降圧させた上で供給するようにする。
【００３４】
電気モータ９の発電機への切り換えは、モード切換スイッチ（切換手段）２により行なわれるようになっている。モード切換スイッチ２はバッテリ３と電気モータ９との間の電気回路を動力側か充電側かに切り換える装置であり、一般的なリレーで構成することができる。モード切換スイッチ２はコントローラ６により制御され、コントローラ６からの切換信号によりモード切換が行なわれるようになっている。
【００３５】
そして、モード切換スイッチ２により回路が動力側に切り換えられた時には、電気はバッテリ３から電気モータ９に向けて流れるようになり、電気モータ９は駆動源として機能するようになっている。逆に、回路が充電側に切り換えられた時には、電気は電気モータ９からバッテリ３に向けて流れるようになり、電気モータ９は発電機として機能するようになっている。
【００３６】
モード切換スイッチ２により動力側に切り換えられた時の回路上には、モータ速度制御装置（回転速度調整手段）４が設けられている。モータ速度制御装置４はバッテリ３からの直流電源を電力制御して電気モータ９に送電する装置であり、公知のチョッパー回路等の半導体スイッチング回路で構成することが好ましい。
【００３７】
モータ速度制御装置４では、コントローラ６からのモータ制御信号（電圧信号，ＰＷＭ信号，ＦＭ信号等）を受けて０〜１００％の範囲で電力制御を行なうようになっている。０％の時には供給電力は０になって電気モータ９は停止し、１００％の時にはバッテリ３から電気モータ９に最大電力が供給されモータ速度は最大になる。つまり、モータ速度制御装置４では、コントローラ６からのモータ制御信号によってモータ速度を連続可変制御できるようになっているのである。
【００３８】
一方、モード切換スイッチ２により充電側に切り換えられた時の回路上には、定電圧電源装置５が設けられている。定電圧電源装置５は電気モータ９が発電機として機能する時、この発電機から入力された不安定な電力を定電圧化した上でバッテリ３側へ送電する装置であり、公知のスイッチングレギュレータ（降圧タイプ，昇圧タイプ共に可能）で構成することができる。この定電圧電源装置５をそなえることにより、発電機（電気モータ）９で発電した電力をバッテリ３へ充電しながら同時に電気／電子システム１に供給することが可能となり、電気モータ９を通常のオルタネータとして用いることができるようになっている。
【００３９】
さらに本ハイブリッド油圧システムでは、その機能要素としてピックアップ１７，パワーアップスイッチ１８，エコスイッチ１９及びスロットルダイヤル１５をそなえている。ピックアップ１７は出力ギヤ１１の円周面を臨むようにそなえられており、出力ギヤ１１の円周面に刻まれた歯の有無を検出するようになっている。そして、出力ギヤ１１の回転に伴い検出した歯の有無に応じて、コントローラ６にパルス信号（回転速度信号）を出力するようになっている。
【００４０】
パワーアップスイッチ１８，エコスイッチ１９及びスロットルダイヤル１５は、上述の作業レバー１６とともに図示しない操縦席にそなえられている。パワーアップスイッチ１８はより強い油圧を要求する時、エコスイッチ１９は省エネ運転を行なう時のために設けられられたスイッチであり、各スイッチ１８，１９を押すことによってそれぞれコントローラ６に信号が入力されるようになっている。また、スロットルダイヤル１５はエンジン７の回転速度を段階的或いは連続的に設定するための手段であり、例えば、ポテンシャルメータやロータリスイッチを用いることができる。
【００４１】
さらに上記の構成要素に加えて、操縦席にはキースイッチ２０がそなえられている。このキースイッチ２０はエンジンの始動又は停止させるためのものであり、オペレータがキースイッチ２０をオンにした時には、キースイッチ２０からコントローラ６に始動信号が入力され、逆にキースイッチ２０をオフにした時には、停止信号が入力されるようになっている。
【００４２】
以上、従来の油圧システムと同じ機能要素に加えて本ハイブリッド油圧システムにおいて新たに設けられた構成要素についても説明したが、これらを統合制御するコントローラ（制御手段）６の機能にも従来の油圧システムと比較して大きな相違がある。以下、図２に示す機能ブロック図を参照しながら本ハイブリッド油圧システムにかかるコントローラ６の機能について説明する。
【００４３】
図２に示すように、コントローラ６はその機能要素として、エンジン制御手段２１，クラッチ制御手段２２，モータ制御手段２３，運転切換制御手段２４，タイマ２５，充電判定手段２６，始動停止制御手段２７をそなえている。なお、コントローラ６はマイコンにより構成された一般的な電子制御装置であり（勿論、マイコンによらずロジック回路等であってもかまわない）、上記の各機能要素２１〜２７はマイコンを動作させるプログラムを適宜設計することによって（或いはロジック回路を適宜設計することによって）構成することができるようになっている。
【００４４】
各機能要素について説明すると、まず、エンジン制御手段２１はエンジン７の運転状態を制御する制御手段である。エンジン制御手段２１では、後述する運転切換制御手段２４，始動停止制御手段２７からの始動／停止信号，充電判定手段２６からの再始動信号及びスロットルダイヤル１５からのエンジン回転数設定信号に基づき、エンジン７の燃料噴射装置７ａに適宜エンジン制御信号を出力して、燃料噴射量を調整してエンジン回転速度を制御したり、燃料カットにより機関を停止させたりするようになっている。
【００４５】
具体的には、運転切換制御手段２４又は始動停止制御手段２７から停止信号が入力された時には、エンジン７を停止させるべく燃料噴射装置７ａに燃料噴射をカットさせるようになっている。逆に始動信号が入力された時には、エンジン７を始動させるべく燃料噴射装置７ａに燃料を噴射させるようになっている。ここで噴射される燃料は始動用に調整された量の燃料であり、始動後は通常運転時のエンジン回転速度（作業用エンジン回転速度）になるように燃料噴射装置７ａに燃料噴射量を制御させるようになっている。
【００４６】
また、エンジン７の停止時において充電判定手段２６から再始動信号が入力された時には、エンジン７を再始動させるべく燃料噴射装置７ａに始動可能な燃料噴射量を噴射させるとともに、エンジン７の再始動後は作業用エンジン回転速度よりも低い所定のエンジン回転速度（省エネエンジン回転速度）になるように燃料噴射装置７ａからの燃料噴射量を制御するようになっている。また、スロットルダイヤル１５からエンジン回転数設定信号が入力された時には、設定されたエンジン回転数を達成するように燃料噴射装置７ａからの燃料噴射量を適宜増減制御するようになっている。
【００４７】
クラッチ制御手段２２はクラッチ８の断接を制御する制御手段であり、後述する運転切換制御手段２４，始動停止制御手段２７及び充電判定手段２６からのクラッチ断接信号に基づきクラッチ８の断接制御を行なうようになっている。具体的には、運転切換制御手段２４又は始動停止制御手段２７からクラッチ切断信号が入力された時には、エンジン７を油圧ポンプ１２から切り離すべくクラッチ８を切断し、逆に運転切換制御手段２４，始動停止制御手段２７又は充電判定手段２６からクラッチ接続信号が入力された時には、エンジン７を油圧ポンプ１２に連結すべくクラッチ８を接続するようになっている。
【００４８】
次に、モータ制御手段２３について説明すると、モータ制御手段２３はモード切換スイッチ２とモータ速度制御装置４とを制御することによって電気モータ９の運転状態を制御する制御手段である。モータ制御手段２３では、後述する運転切換制御手段２４，充電判定手段２６からの動力側／充電側切換信号，始動停止制御手段２７からのクランキング信号，パワーアップスイッチ１８からのパワーアップ信号及びエコスイッチ１９からのエコ信号に基づき、モード切換スイッチ２にモード切換信号を出力して回路の動力側と充電側との切換を行なうとともに、モータ速度制御装置４にモータ制御信号を出力して電気モータ９のオン／オフやモータ回転速度を制御するようになっている。
【００４９】
具体的には、運転切換制御手段２４から動力側への切換信号が入力された時には、電気モータ９を油圧ポンプ１２の駆動源とすべくモード切換スイッチ２により回路を充電側から動力側に切り換えさせるとともに、所定のモータ回転速度（省エネ運転時モータ回転速度）になるようにモータ速度制御装置４に電気モータ９への電力供給量を調整させるようになっている。逆に運転切換制御手段２４又は充電判定手段２６から充電側への切換信号が入力された時には、電気モータ９を発電機として機能させるべくモード切換スイッチ２により回路を動力側から充電側に切り換えさせるようになっている。
【００５０】
また、始動停止制御手段２７からクランキング信号が入力された時には、エンジン７をクランキングすべくモード切換スイッチ２により回路を充電側から動力側に切り換えさせるとともに、電気モータ９への電力供給量を最大して所定のモータ回転速度（クランキング時モータ回転速度）になるようにモータ速度制御装置４を制御するようになっている。
【００５１】
また、通常運転時においてパワーアップスイッチ１８からパワーアップ信号が入力された時には、電気モータ９の出力をエンジン７の出力に加算すべくモード切換スイッチ２により回路を充電側から動力側に切り換えさせるとともに、所定のモータ回転速度（パワーアップ時モータ回転速度）になるようにモータ速度制御装置４に電気モータ９への電力供給量を調整させるようになっている。また、省エネ運転時においてエコスイッチ１９からエコ信号が入力された時には、モータ回転速度が省エネ運転時モータ回転速度よりもさらに低い第２省エネ運転時モータ回転速度になるようにモータ速度制御装置４に電気モータ９への電力供給量を調整させるようになっている。
【００５２】
次に、運転切換制御手段２４について説明すると、運転切換制御手段２４は装置の運転状態に応じて通常運転と省エネ運転との間で運転モードを切り換えるための制御手段であり、圧力スイッチ１３ａからの作業信号，ピックアップ１７からのパルス信号（回転速度信号）に基づき装置の運転状態を判断し、エンジン制御手段２１，クラッチ制御手段２２，モータ制御手段２３に適宜制御信号を出力して運転モードを切り換えるようになっている。
【００５３】
具体的には、運転切換制御手段２４では、圧力スイッチ１３ａからの作業信号が入力されている間は装置が稼動状態（即ち、アクチュエータ１４に負荷が作用している状態）にあるとみなすようになっている。そして、圧力スイッチ１３ａからの作業信号がオフになるとタイマ２５を作動させ、所定時間オフが続くと装置が待機状態（即ち、アクチュエータ１４が無負荷又は略無負荷状態）になったものと判定するようになっている。
【００５４】
装置が待機状態になったものと判定された場合、運転切換制御手段２４は、まず第１省エネ運転を行なうようになっている。第１省エネ運転では、クラッチ８を切断すべくクラッチ制御手段２２にクラッチ切断信号を出力し、続いてエンジン７を停止させるべくエンジン制御手段２１に停止信号を出力するようになっている。この第１省エネ運転によりエンジン７は停止し、油圧ポンプ１２はフライホイールとしての出力ギヤ１１の慣性によって回転駆動されるようになる。また、第１省エネ運転中において運転切換制御手段２４では、ピックアップ１７からの回転速度信号に基づき出力ギヤ１１の回転速度（油圧ポンプ１２の入力軸１２ａの回転速度）を演算し、演算した回転速度が所定値（省エネ運転時モータ回転速度に対応する値）以下まで低下したか否か判定するようになっている。
【００５５】
そして、出力ギヤ１１の回転速度が所定値以下まで低下したと判定された時には、第２省エネ運転を行なうようになっている。第２省エネ運転では、電気モータ９の機能を発電機から駆動源に切り換えて油圧ポンプ１２を駆動させるべく、モータ制御手段２３に駆動側への切換信号を出力するようになっている。この第２省エネ運転により油圧ポンプ１２は電気モータ９により所定の省エネ運転時モータ回転速度で回転駆動されるようになる。
【００５６】
一方、省エネ運転中（第１省エネ運転又は第２省エネ運転中）において圧力スイッチ１３ａからの作業信号がオンになった時には、運転切換制御手段２４では、まず、エンジン７を始動させるべくエンジン制御手段２１に始動信号を出力し、続いてクラッチ８を接続すべくクラッチ制御手段２２にクラッチ接続信号を出力するようになっている。そして、クラッチ接続信号の出力と同時にタイマ２５を作動させ、所定時間経過した時点で電気モータ９の機能を発電機に切り換えるくモータ制御手段２３に充電側への切換信号を出力するようになっている。
【００５７】
充電判定手段２６はバッテリ３の充電状態を判定して上記の第２省エネ運転でのバッテリ３の過放電を防止するための手段であり、内部に電圧計（充電残量検知手段）をそなえている。そして、バッテリ３から入力される端子電圧を計測し、計測した端子電圧が所定値以下になった時には、バッテリ３が充電残量が充電が必要な状態まで低下したものと判定するようになっている。
【００５８】
バッテリ３の充電残量が充電が必要な状態まで低下したものと判定された場合、充電判定手段２６では、電気モータ９の機能を発電機に切り換えるべくモータ制御手段２３に充電側への切換信号を出力するとともに、エンジン７によって油圧ポンプ１２を駆動すべくエンジン制御手段２１に再始動信号を出力し、クラッチ制御手段２２にクラッチ接続信号を出力するようになっている。
【００５９】
最後に始動停止制御手段２７について説明すると、始動停止制御手段２７はエンジン７の始動停止を行なう制御手段であり、上述の運転切換制御手段２４のような自動的にエンジン７を始動停止させるのではなく、オペレータのキースイッチ２０の操作を受けてエンジン制御手段２１，モータ制御手段２３に適宜制御信号を出力してエンジン７を始動停止させるようになっている。
【００６０】
具体的には、オペレータのキースイッチ２０のオン操作により始動信号が入力された時には、始動停止制御手段２７では、エンジン８を油圧ポンプ１２に連結すべくクラッチ制御手段２２にクラッチ接続信号を出力し、電気モータ９によってエンジン７をクランキングさせるべくモータ制御手段２３に動力側への切換信号を出力するとともに、エンジン７に始動用の燃料を噴射すべくエンジン制御手段２１に始動信号を出力するようになっている。逆に、オペレータのキースイッチ２０のオフ操作により停止信号が入力された時には、エンジン７への燃料噴射をカットすべくエンジン制御手段２１に停止信号を出力し、クラッチ８を切断すべくクラッチ制御手段２２にクラッチ切断信号を出力するようになっている。
【００６１】
本発明の一実施形態としてのハイブリッド油圧システムは上述のように構成されているので、本ハイブリッド油圧システムをそなえた油圧ショベルの運転時には次のような作用及び効果が得られる。以下、図３に示すタイムチャートを参照しながら本ハイブリッド油圧システムの作用及び効果について説明する。
まず、油圧ショベルの停止時（即ち、エンジン７，電気モータ９の停止時）においてオペレータが図示しないキースイッチを回すと、キースイッチからコントローラ６に始動信号が入力される。
【００６２】
この始動信号を受けてコントローラ６では、クラッチ８にクラッチ信号を出力してクラッチ８を接続するとともに、モード切換スイッチ２にモード切換信号を出力して回路を動力側に切換え、モータ速度制御装置４へのモータ制御信号を最大値にし、さらにエンジン７の燃料噴射装置７ａにエンジン制御信号を出力して始動時の燃料噴射量にセットする（ガバナの位置を始動時の燃料噴射位置にセットする）。これによりバッテリ３から電気モータ９へ最大の電力が供給され、電気モータ９はセルモータとして機能し、ギヤ１０，出力ギヤ（フライホイール）１１，クラッチ８を介してエンジン７をクランキングする。この電気モータ９によるクランキングによって燃料噴射装置７ａから噴射された燃料が着火し、エンジン７は始動する。
【００６３】
エンジン７の始動後、コントローラ６はモード切換スイッチ２にモード切換信号を出力して回路を充電側に切り換える。この回路の切換によりバッテリ３から電気モータ９への通電が断たれるため電気モータ９は動力発生源ではなくなるが、エンジン７が回転しているため、今度はクラッチ８，出力ギヤ（フライホイール）１１，ギヤ１０を介して電気モータ９がエンジン７により回転駆動されるようになり、電気モータ９は発電機（オルタネータ）として機能するようになる。そして、回路にそなえられた定電圧電源装置５によって安定化され、バッテリ３に充電されるとともに他の電気／電子システム１にも供給される。
【００６４】
エンジン７により油圧ポンプ１２を駆動している間は、一般的な油圧ショベルと同様にスロットルダイヤル１５を回すことによって任意のエンジン回転速度に設定することができ、エンジン回転速度に応じた大きさの油圧をコントロールバルブ１３に供給できる。そして、作業レバー１６を操作することによってコントロールバルブ１３から目的のアクチュエータ１４に油圧を送りこみ、作業装置に所望の動作を行なわせることができる。
【００６５】
このように作業装置を動作させている間は、圧力スイッチ１３ａから作業信号が入力されているが、図３に示すように作業を中断してアクチュエータ１４を動かさなくなると（時点ｔ０）、圧力スイッチ１３ａからの作業信号はオフになり、コントローラ６は所定時間tt１が経過したところで運転モードを通常運転から省エネ運転（第１省エネ運転）に切り換える（時点ｔ１）。
【００６６】
第１省エネ運転では、上述したようにクラッチ８を切り離した後、直ぐに燃料噴射装置７ａからの燃料噴射をカットしてエンジン７を停止させる。これにより油圧ポンプ１２への動力は断たれるが、アクチュエータ１４が作動しなていなため無負荷又は略無負荷であり、また、出力ギヤ（フライホイール）１１のイナーシャは十分に大きいため、出力ギヤ１１は徐々に回転速度を落としながらも暫くの間は回転し続ける。この間、油圧ポンプ１２は出力ギヤ１１の回転により駆動されるので、回転速度に応じた大きさの油圧が発生する。また、エンジン７は停止しているので、騒音振動は少なく燃料消費量は０となる。
【００６７】
オペレータが作業レバー１６を操作すると、圧力スイッチ１３ａからの作業信号はオンになり、コントローラ６は作業状態と認識する（時点ｔ２）。そして、燃料噴射装置７ａにエンジン制御信号を出力して始動用の燃料を噴射させるととともに、クラッチ８にクラッチ信号を出力してクラッチ８を接続する。このクラッチ８の接続によりエンジン７はクランキング状態になるが、電気モータ９がセルモータとして機能する時よりもはるかに速い回転速度でクランキングするので、エンジン７はほとんど遅れなく始動し、エンジン回転速度は所定の作業用エンジン回転速度まで速やかに上昇し、出力ギヤ１１の回転速度Ｎも作業用回転速度Ｎ1 まで速やかに上昇する。
【００６８】
この時、コントローラ６では、上記制御によってエンジン７を始動させるとともに、モード切換スイッチ２にモード切換信号を出力して電気モータ９を充電側から動力側へ切り換える。これによりクラッチ８の接続による負荷等によって出力ギヤ１１の回転速度Ｎが低下することが防止され、回転速度Ｎは作業用回転速度Ｎ1 まで速やかに上昇する。なお、この電気モータ９による始動補助はエンジン７の立ち上がりに一時的に行ない、上記の時点ｔ２から所定時間tt２が経過した後は、モード切換スイッチ２にモード切換信号を出力して電気モータ９を再び発電機として機能させる。
【００６９】
再び作業を中断してアクチュエータ１４を動かさなくなると（時点ｔ３）、コントローラ６は所定時間tt１が経過したところで運転モードを通常運転から省エネ運転（第１省エネ運転）に切り換える（時点ｔ４）。そして、出力ギヤ１１の回転速度Ｎが所定の回転速度（省エネ回転速度）Ｎ0 まで低下した時、コントローラ６は運転モードを通常運転から第１省エネ運転から第２省エネ運転に切り換える（時点ｔ５）。
【００７０】
第２省エネ運転では、上述したようにモード切換スイッチ２にモード切換信号を出力して回路を充電側から動力側に切り換える。これにより、バッテリ３からモータ速度制御装置４を介して発電機として機能していた電気モータ９は、本来のモータとして機能するようになり、ギヤ１０，出力ギヤ１１を介して油圧ポンプ１２に駆動力が伝達されるようになる。
【００７１】
この時、油圧ポンプ１２は無負荷のため、電気モータ９は小さい出力で出力ギヤ１１の回転速度Ｎを保持することができる。そして、コントローラ６はピックアップ１７からの回転速度信号に基づき算出される入力軸１２ａの回転速度Ｎをフィードバックしながらモータ速度制御装置４により電気モータ９への電力制御を行ない、出力ギヤ１１の回転速度Ｎが所定の省エネ回転速度Ｎ0に維持されるように制御する。これにより、長時間の作業待ち状態が続いた場合でも電気モータ９による駆動によって一定の油圧が維持される。また、エンジン７は停止しているので、騒音振動は少なく燃料消費量は０となる。
【００７２】
オペレータが作業レバー１６を操作すると、圧力スイッチ１３ａからの作業信号はオンになり、コントローラ６は作業状態と認識する（時点ｔ６）。そして、燃料噴射装置７ａにエンジン制御信号を出力して始動用の燃料を噴射させるとともに、クラッチ８にクラッチ信号を出力してクラッチ８を接続する。このクラッチ８の接続によりエンジン７はクランキング状態になるが、電気モータ９による駆動と出力ギヤ１１のイナーシャとによってエンジン７はほとんど遅れなく始動し、出力ギヤ１１の回転速度Ｎは作業用回転速度Ｎ1 まで速やかに上昇する。ただし、電気モータ９による始動補助はエンジン７の立ち上がりに一時的に行ない、上記の時点ｔ６から所定時間tt２が経過した後は、モード切換スイッチ２にモード切換信号を出力して電気モータ９を発電機として機能させる。
【００７３】
なお、上記省エネ回転速度Ｎ0 は、作業用回転速度Ｎ1 よりは十分に低いがエンジン７の始動時のアイドル回転速度よりは高い値（例えば、１０００ｒｐｍ〜１５００ｒｐｍ）である。このような回転速度Ｎ0 を選定することにより出力ギヤ１１のイナーシャと相まって大きなエネルギが維持されるようになり、作業レバー１６の操作による油圧ポンプ１２よりも下流側での負荷投入やエンジン始動時のクラッチ８の接続による負荷の影響が少なく、出力ギヤ１１の回転速度Ｎは作業レバー１６の操作に対して応答遅れなく立ち上がるようになる。
【００７４】
また、コントローラ６は常にバッテリ３の充電状態を端子電圧に基づきセンシングしており、上記第２省エネ運転中においてバッテリ３の充電残量が充電が必要な状態まで低下した時には、直ちにモード切換スイッチ２にモード切換信号を出力して回路を充電側に切り換える。そして、エンジン噴射制御信号を出力して始動燃料を噴射するとともにクラッチ信号を出力してクラッチ８を接続し、エンジン７をクランキングして始動させる。始動後は出力ギヤ１１の回転速度Ｎが省エネ回転速度Ｎ0 に維持されるようにエンジン回転速度を制御する。これにより、電気モータ９はクラッチ８，出力ギヤ１１，ギヤ１０を介してエンジン７によって駆動され発電機として機能するようになり、バッテリ３の過放電が防止される。
【００７５】
また、長時間のダンプ待ちのように待機状態が長く続く場合には、オペレータの判断によりエコスイッチ１９を押すこともできる。このエコスイッチ１９が押されると、コントローラ６はモータ速度制御手段４にモータ制御信号を出力し、出力ギヤ１１の回転速度Ｎが省エネ回転速度Ｎ0 よりもさらに低い第２省エネ回転速度Ｎ2 （例えば８００ｒｐｍ）になるようにモータ回転速度を下げさせる。これにより待機状態での騒音振動が更に低減するとともに、バッテリ３の放電速度が低下してバッテリ３が充電を要する状態になるまでの時間が延ばされる。
【００７６】
なお、再度エコスイッチ１９を押した場合には、コントローラ６はモータ速度制御手段４にモータ制御信号を出力し、出力ギヤ１１の回転速度Ｎが通常の省エネ回転速度Ｎ0 に戻るようにモータ回転速度を上昇させる。また、作業レバー１６を操作した場合には、コントローラ６は作業状態に復帰したと認識して上述したようにクラッチ８を接続しエンジン７を始動させるとともに、始動後は電気モータ９の機能を駆動源から発電機に切り換える。
【００７７】
さらに、作業状態においてより大きな作業能力が要求される場合には、オペレータの判断によりパワーアップスイッチ１８を押すこともできる。このパワーアップスイッチ１８が押されるとコントローラ６はパワーアップ制御を開始する。即ち、モード切換スイッチ２にモード切換信号を出力して回路を充電側から動力側に切り換えるとともに、モータ速度制御手段４にモータ制御信号を出力してモータ回転速度を所定値に設定する。これによりエンジン７の駆動力に電気モータ９の駆動力が加算され、油圧ショベルの作業能力が大きく向上する。ただし、パワーアップ制御が一定時間続いた時は、コントローラ６は自動的にモード切換スイッチ２にモード切換信号を出力して回路を動力側から充電側に切り換える。これにより電気モータ９の焼損やバッテリ３の過放電が防止される。
【００７８】
このように本ハイブリッド油圧システムによれば、圧力スイッチ１３ａからの作業信号が所定時間入力されなかった時には、クラッチ８を切断してエンジン７を停止するので、騒音振動が少なく無駄な燃料を消費しないという利点がある。また、エンジン７を停止した後も油圧ポンプ１２の入力軸１２ａは出力ギヤ（フライホイール）１１のイナーシャによって回転しているので、クラッチ８を接続するだけで直ぐにエンジン７を始動させることができ、速やかに作業復帰することができるという利点がある。
【００７９】
そして、待機状態が続き出力ギヤ１１の回転速度Ｎが低下してきた時には、電気モータ９によって入力軸１２ａを駆動して所定の省エネ回転速度Ｎ0 に維持するので、待機状態が続いた場合でもいつでも直ぐにエンジン７を始動させることができ、速やかに作業復帰することができるという利点がある。さらに、作業状態に復帰する時にはエンジン７が立ち上がるまでの間電気モータ９を駆動状態にするので、クラッチ８の接続に伴う負荷等による回転速度Ｎの低下を防止して速やかに作業状態に復帰することができるという利点がある。
【００８０】
また、バッテリ３の充電残量は端子電圧に基づき常にウオッチしており、充電残量が低下した時には電気モータ９を発電機に切り換えるのでバッテリ３が過放電してしまうことを防止することができるという利点もある。また、電気モータ９は発電機（オルタネータ）として機能するとともに、エンジン７の始動時にはセルモータとしても機能するので、オルタネータとセルモータとを別に設ける必要がなく部品点数を削減することができるという利点がある。
【００８１】
さらに、この電気モータ９は作業中断時の無負荷状態での回転速度維持を目的としたものであるので、小型化することができるという利点もある。また、出力ギヤ１１をフライホイールとして用いるとともに、電気モータ９の出力を入力軸１２ａに伝達するための動力伝達部材としても用いることによっても、部品点数を削減することができるという利点がある。
【００８２】
また、出力ギヤ（フライホイール）１１はその慣性力によってエンジン７が停止した後も回転し続け、回転速度が低下した時には電気モータ９によって駆動されるので、待機状態となり自動的にエンジン７が停止した時でもエアコンのコンプレッサを駆動することができ、オペレータはエアコンを使用し続けることができるという利点がある。
【００８３】
さらに、長時間待機状態が続くような場合には、エコスイッチ１８を押すことにより出力ギヤ１１の回転速度Ｎを省エネ回転速度Ｎ0 よりも低い第２省エネ回転速度Ｎ2 に設定することができるので、さらに騒音振動を低減することができるとともに、バッテリ３が放電されるまでの時間を延ばすことができるという利点もある。そして、この場合でも作業状態への復帰時には出力ギヤ１１のイナーシャと相まってスムーズにエンジン７を始動することができる。
【００８４】
さらに、作業状態においてパワーアップスイッチ１８を押した場合には、エンジン７の駆動力に電気モータ９の駆動力を加算して油圧ショベルの作業能力を大きく向上させることができるという利点がある。また、このパワーアップ制御には一定のタイムリミットが設けられているので、電気モータ９の焼損やバッテリ３の過放電を防止することができるという利点もある。
【００８５】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、上述の実施形態では、バッテリ３の端子電圧からバッテリ３の充電残量を推定するようになっているが、バッテリ３内に比重センサ（充電残量検知手段）をそなえて検出したバッテリ液の比重から充電残量を推定するようにしてもよい。また、電圧，電流を積算時間から推定することも可能である。
【００８６】
また、上述の実施形態では、負荷検知手段として圧力スイッチ１３ａをそなえ、コントロールバルブ１３の油圧回路内の油圧に基づき装置が待機状態か否か判定するようになっているが、これに限らず作業レバー１６の操作位置を検出して操作位置が中立位置であれば待機状態であると判定するようにしてもよい。さらに、ピックアップ１７により検出される出力ギヤ１１の回転速度Ｎの変化（回転速度Ｎの落ち込み具合）から装置が作業状態か又は待機状態かを判定するようにしてもよい。例えば、回転速度Ｎの落ち込みが大きい時には装置に負荷がかかっているのと判断することができる。
【００８７】
また、上述の実施形態では、出力ギヤ１１をギヤ１０と噛合させることにより電気モータ２と油圧ポンプ１２との間の動力伝達を行なっているが、ベルトとプーリ（一方のプーリはフライホイールと兼用）により動力を伝達するようにしてもよい。さらに、図４に示すように、電気モータ９を油圧ポンプ１２の入力軸１２ａと同軸に配設し、電気モータ９のロータを入力軸１２ａと一体に構成するようにしてもよい。
【００８８】
また、上述の実施形態では、電気モータ９として直流モータをそなえているが、ベクトル制御やインバータ等の公知の技術を用いることによって交流モータをそなえることも可能である。ただし、この場合には電気モータ（交流モータ）は回生能力を有することが前提であり、当然ながらモータ速度制御装置４，定電圧電源装置５は交流に対応したものにする必要がある。
【００８９】
さらに、コントローラ６による制御方法についても上述の実施形態に限定されず種々の制御方法が可能である。例えば、上述の実施形態ではオペレータがパワーアップスイッチ１８を押すことによってパワーアップ制御を実行しているが、アクチュエータ１４の負荷を検出し、検出した負荷の大きさに応じて電気モータ９によるアシストを行なうようにすることもできる。
【００９０】
また、検出したアクチュエータ１４の負荷が小さい場合には、クラッチ８を切離してエンジン７を停止し、電気モータ９のみによって油圧ポンプ１２を駆動することもできる。さらに、外部から電力供給を受けるようにすることによって、エンジン７を停止しクラッチ８を切り、電気モータ９のみで油圧ポンプ１２を駆動すれば排気ガスの全く出ない電気ショベルとして機能させることができる。
【００９１】
即ち、本発明のハイブリッド油圧システムによれば、アクチュエータ１４の負荷状態に応じたエンジン７，電気モータ９及びクラッチ８の統合制御が可能であり、油圧ショベルをはじめとした油圧式建設機械の作業状況に応じた最適な油圧制御を行なうことができる。
【００９２】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明のハイブリッド油圧システム（請求項１〜１６）によれば、検出又は推定されたアクチュエータの負荷状態に基づき、エンジンの始動停止と電気モータの始動停止とクラッチの断接とを統合制御することによって、アクチュエータの使用状況に応じた最適な油圧制御を行なうことができるという利点がある。
【００９３】
特に、検出又は推定されたアクチュエータの負荷状態が無負荷のときにはクラッチを切断しエンジンを停止状態にして、電気モータにより油圧ポンプを駆動させるようにするので、待機状態での騒音振動を大幅に低減できるとともに無駄な燃料消費を無くすことができ、加えて速やかな作業復帰も可能になるという利点がある。
【００９４】
また、クラッチと油圧ポンプとの間にフライホイールをそなえるようにすれば、エンジンを停止した後も油圧ポンプはフライホイールのイナーシャによって回転しているので、クラッチを接続するだけで直ぐにエンジンを始動させることができ、速やかに作業復帰することができるという利点があり（請求項２）、その際、フライホイールを電気モータから油圧ポンプの入力軸に動力を伝達するための動力伝達部材として構成するようにすれば、部品点数を増加させることもない（請求項３）。
【００９５】
また、クラッチを切断してエンジンを停止した後、油圧ポンプの回転速度が所定値以下になったときに電気モータに油圧ポンプを駆動させるようにすれば、電気モータによる電気の消費を抑えることができるという利点がある（請求項４）。また、油圧ポンプの回転速度が通常運転時の回転速度よりも低い所定の回転速度に保たれるように電気モータの回転速度を調整するようにすれば、より騒音振動を低減することができるという利点がある（請求項５）。
【００９６】
また、操作レバーがアクチュエータを操作する方向に操作されたらクラッチを接続しエンジンを始動させるとともに、電気モータによる油圧ポンプの駆動を停止させるようにすれば、オペレータの意思に応じた速やかな作業復帰が可能になるという利点があり（請求項６）、特に、エンジンを始動しクラッチを接続してから所定時間は電気モータにより油圧ポンプを駆動するようにすれば、クラッチの接続に伴う負荷によってエンジン回転速度が低下することを防止して速やかな作業復帰が可能になるという利点がある（請求項７）。
【００９７】
また、電気モータを駆動源として用いるときにはバッテリから電気モータに電力を供給し、電気モータを駆動源として用いないときには発電機に切り換えて発電した電力をバッテリに充電するようにすれば、外部から電力を供給することなく電気モータを作動させることができるという利点があり、また、オルタネータを別に設ける必要がなく部品点数を削減することができるという利点もある（請求項１２）。
【００９８】
また、電気モータによる油圧ポンプの駆動時にバッテリの充電残量が充電が必要な状態にまで低下したときには、クラッチを接続しエンジンを始動させるとともに電気モータを発電機に切り換えるようにすれば、バッテリの過放電を防止することができるという利点があり（請求項１３）、その際、エンジンの回転速度を通常運転時の回転速度よりも低い所定の回転速度に設定するようにすれば、騒音振動を低減することができる（請求項１４）。
【００９９】
さらに、パワーアップスイッチがオンにされたときにはエンジンによる油圧ポンプの駆動中でも電気モータを発電機から駆動源に切り換えるようにすれば、エンジンの駆動力に電気モータの駆動力を加算してアクチュエータの作業能力を大きく向上させることができるという利点があり（請求項１５）、その際、パワーアップスイッチがオンにされてから所定時間が経過したら電気モータを再び発電機に切り換えるようにすれば、バッテリの過放電や電気モータの焼損を防止することができるという利点がある（請求項１６）。
【０１００】
そして、本発明の油圧式建設機械（請求項１７）によれば、上述したハイブリッド油圧システム（請求項１〜１６）をそなえることによって、待機後の速やかな作業復帰と待機状態での燃料浪費及び騒音振動の大幅な低減とを両立することができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態としてのハイブッリド油圧システムの構成を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態としてのハイブッリド油圧システムにかかるコントローラの機能を示す機能ブロック図である。
【図３】本発明の一実施形態としてのハイブッリド油圧システムの動作を説明するためのタイムチャートである。
【図４】本発明の一実施形態としてのハイブッリド油圧システムの構成の変形例を示す図である。
【図５】従来の油圧システムの構成を示す図である。
【図６】従来の油圧システムの動作を説明するためのタイムチャートである。
【符号の説明】
１ 電気／電子システム
２ モード切換スイッチ（切換手段）
３ バッテリ
４ モータ速度制御装置（回転速度調整手段）
５ 定電圧電源装置
６ コントローラ（制御手段）
７ エンジン
７ａ 燃料噴射装置
８ クラッチ
９ 電気モータ
１０ ギヤ
１１ 出力ギヤ（フライホイール）
１２ 油圧ポンプ
１３ コントロールバルブ
１３ａ 圧力スイッチ（負荷検知手段）
１４ アクチュエータ
１５ スロットルダイヤル
１６ 作業レバー（操作手段）
１７ ピックアップ
１８ パワーアップスイッチ
１９ エコスイッチ
２０ キースイッチ
Claims (17)
- 油圧を機械的動きに変換するアクチュエータと、
該アクチュエータに作動油を供給する油圧ポンプと、
該油圧ポンプを駆動するエンジンと、
該エンジンの出力軸と該油圧ポンプの入力軸との間に介装されたクラッチと、
該油圧ポンプの入力軸に連結された電気モータと、
該アクチュエータの負荷状態を検出又は推定する負荷検知手段と、
該負荷検知手段により検出又は推定された該アクチュエータの負荷状態に基づき、該エンジンの始動停止と該電気モータの始動停止と該クラッチの断接とを統合制御する制御手段とをそなえ、
該制御手段は、該負荷検知手段により検出又は推定された該アクチュエータの負荷状態が無負荷のときには、該クラッチを切断して該エンジンは停止状態に、該電気モータは作動状態にして、該電気モータにより該油圧ポンプを駆動させる
ことを特徴とする、ハイブリッド油圧システム。 - 該クラッチと該油圧ポンプとの間にフライホイールをそなえた
ことを特徴とする、請求項１記載のハイブリッド油圧システム。 - 該フライホイールを該電気モータから該油圧ポンプの入力軸に動力を伝達するための動力伝達部材として構成した
ことを特徴とする、請求項２記載のハイブリッド油圧システム。 - 該制御手段は、該クラッチを切断して該エンジンを停止した後、該油圧ポンプの回転速度が所定値以下になったときに該電気モータに該油圧ポンプを駆動させる
ことを特徴とする、請求項２又は３記載のハイブリッド油圧システム。 - 該電気モータの回転速度を調整する回転速度調整手段をそなえ、
該制御手段は、該電気モータによる該油圧ポンプの駆動時には該油圧ポンプの回転速度が通常運転時の回転速度よりも低い所定の回転速度に保たれるように該回転速度調整手段を制御する
ことを特徴とする、請求項１〜４の何れかの項に記載のハイブリッド油圧システム。 - オペレータが該アクチュエータを操作するための操作手段をそなえ、
該制御手段は、該操作レバーが該アクチュエータを操作する方向に操作されたら該クラッチを接続し該エンジンを始動させるとともに、該電気モータによる該油圧ポンプの駆動を停止させる
ことを特徴とする、請求項１〜５の何れかの項に記載のハイブリッド油圧システム。 - 該制御手段は、該エンジンを始動し該クラッチを接続してから所定時間は、該電気モータにより該油圧ポンプを駆動する
ことを特徴とする、請求項６記載のハイブリッド油圧システム。 - 該アクチュエータが複数そなえられるとともに、
該油圧ポンプと上記複数のアクチュエータとの間に介装され上記複数のアクチュエータの中の任意のアクチュエータに該油圧ポンプから供給される作動油を送り込むコントロールバルブをそなえ、
該操作手段により該コントロールバルブが操作されて作動油を送り込むべきアクチュエータが選択される
ことを特徴とする、請求項６又は７記載のハイブリッド油圧システム。 - 該負荷検知手段が、該アクチュエータと該油圧ポンプとを結ぶ油圧回路上の油圧に基づき該アクチュエータの負荷状態を検出又は推定することを特徴とする、請求項１〜８の何れかの項に記載のハイブリッド油圧システム。
- 該負荷検知手段が、該油圧ポンプの回転速度変化に基づき該アクチュエータの負荷状態を検出又は推定する
ことを特徴とする、請求項１〜８の何れかの項に記載のハイブリッド油圧システム。 - 該負荷検知手段が、該操作手段の操作位置に基づき該アクチュエータの負荷状態を検出又は推定する
ことを特徴とする、請求項６〜８の何れかの項に記載のハイブリッド油圧システム。 - 該電気モータを該油圧ポンプからの駆動力の入力により発電機としても機能するように構成するとともに、
該電気モータに接続され充電可能なバッテリと、
該電気モータを発電機に切り換える切換手段とをそなえ、
該制御手段は、該電気モータを駆動源として用いるときには該バッテリから該電気モータに電力を供給し、該電気モータを駆動源として用いないときには該切換手段を操作して該電気モータを発電機に切り換え、該油圧ポンプの入力軸からの駆動力の入力により発電した電力を該バッテリに充電する
ことを特徴とする、請求項１〜１１の何れかの項に記載のハイブリッド油圧システム。 - 該バッテリの充電残量を検出又は推定する充電残量検知手段をそなえ、
該制御手段は、該電気モータによる該油圧ポンプの駆動時に該充電残量検知手段により検出又は推定された該バッテリの充電残量が充電が必要な状態にまで低下したときには、該クラッチを接続し該エンジンを始動させるとともに、該切換手段を操作して該電気モータを発電機に切り換える
ことを特徴とする、請求項１２記載のハイブリッド油圧システム。 - 該制御手段は、該エンジンの回転速度を通常運転時の回転速度よりも低い所定の回転速度に設定する
ことを特徴とする、請求項１３記載のハイブリッド油圧システム。 - オペレータにより操作可能なパワーアップスイッチをそなえ、
該制御手段は、該パワーアップスイッチがオンにされたときには、該エンジンによる該油圧ポンプの駆動中でも該切換手段を操作して該電気モータを発電機から駆動源に切り換える
ことを特徴とする、請求項１２〜１４の何れかの項に記載のハイブリッド油圧システム。 - 該制御手段は、該パワーアップスイッチがオンにされてから所定時間が経過したら、該切換手段を操作して該電気モータを再び発電機に切り換える
ことを特徴とする、請求項１５記載のハイブリッド油圧システム。 - 請求項１〜１６の何れかの項に記載のハイブリッド油圧システムをそなえた
ことを特徴とする、油圧式建設機械。
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