JP6190297B2 - 操作装置 - Google Patents

Description

本発明は、油圧信号と電気信号とを出力する操作装置に関する。

従来、油圧ショベル、クレーン、ホイールローダ、ブルドーザ等の動力機械類（この明細書及び特許請求の範囲の書類では、これらの動力機械類（重機）を総称して「作業機械」という）が土木・建設工事などに使用されている。一般に、作業機械には、複数の油圧アクチュエータが備えられている。例えば、作業機械の一つである油圧ショベルには、下部走行体の上部に上部旋回体が設けられ、この上部旋回体に、エンジンや運転席、バケットが先端に設けられたアーム、アームに連結されたブーム等が備えられている。この油圧ショベルには、走行用モータ、旋回用モータ、ブーム用シリンダ、アーム用シリンダ、及びバケット用シリンダ等の複数の油圧アクチュエータが設けられていると共に、これらへ圧油を供給する油圧ポンプが搭載されている。

図９は従来例１に係る作業車両の駆動制御システム１０１の概略構成を示すブロック図である。従来例１に係る作業車両の駆動制御システム１０１は、基本的構造として、可変容量型油圧ポンプ８と、油圧ポンプ８から送られる作動油によって駆動される油圧アクチュエータ１０と、油圧アクチュエータ１０への作動油の流れを切り換えるコントロール弁６と、油圧ポンプ８の吐出量を制御するコントローラ７とを備えている。コントロール弁６のパイロットポートには、パイロット管路５を介してパイロット弁３が接続されている。パイロット弁３には、油圧アクチュエータ１０へ操作の入力を受け付けるための操作部２が設けられている。この操作部２の操作量に応じたパイロット圧力がパイロット弁３からコントロール弁６へ供給される。パイロット管路５にはパイロット圧力を検出する圧力センサ９１が設けられており、この圧力センサ９１からパイロット圧力操作量検出信号がコントローラ７へ出力される。コントローラ７は、パイロット圧力操作量検出信号に基づいて操作部２の操作量に比例した吐出量を得るように、油圧ポンプ８のポンプ吐出容量を制御する。

上記従来例１に係る作業車両の駆動制御システム１０１では、パイロット圧力操作量検出信号に基づいて油圧ポンプ８のポンプ吐出容量が制御されているが、操作部２の操作量に基づいて油圧ポンプ８のポンプ吐出容量を制御するように構成された駆動制御システムも知られている（例えば、特許文献１）。図１０に示す従来例２に係る作業車両の駆動制御システム１０２においては、操作部２の操作量を検出する操作量検出センサ４１（例えば、ポテンショメータなど）がパイロット弁３に設けられており、コントローラ７では、操作量検出センサ４１から出力された操作量検出信号ｖに基づいて油圧ポンプ８のポンプ吐出容量が制御される。

特開２０００−４６００６号公報

図４はパイロット弁３の入出力特性の一例を示すグラフである。このグラフに示されるように、パイロット弁３への入力値である操作部操作量θの増加に対し、パイロット弁３からの出力値であるパイロット圧力ｐは、不規則的に変化する。操作部操作量θが所定の設定値θminより小さい範囲が不感帯（中立帯）となっており、この不感帯では、パイロット圧力ｐは操作量の増減に関わらず一定である。また、図５は操作量検出センサ４１の入出力特性の一例を示すグラフである。このグラフに示されるように、操作量検出センサ４１への入力値である操作部操作量θの増加に対し、操作量検出センサ４１の出力値である操作量検出信号ｖは線形的に増加する。

パイロット弁３の入出力特性と操作量検出センサ４１の入出力特性とを対比すると、これらの入力値に対する出力値の変化のタイミングや変化の特性が相違する。そのため、従来例２に係る作業機械の駆動制御システム１０２のように、同じ操作部操作量θに基づくが、特性の異なる信号（操作量検出信号ｖとパイロット圧力ｐ）で油圧ポンプ８とコントロール弁６が動作する場合には、コントローラ７で特性の異なる信号を対応付けるための処理が行われる。そのために、操作量検出信号ｖとパイロット圧力ｐとを対応させるための処理をコントローラ７側で実行させるためにコントローラ７のプログラムの変更、並びに上記プログラム変更後の実機の作動確認などが必要となる。

また、パイロット弁３のパイロット圧力ｐは操作部操作量θに対して個体差（製造のバラツキ）があり、その上操作量検出センサ４１の操作量検出信号ｖも操作部操作量θに対して個体差（製造のバラツキ）があるので、これらを対応付けるとバラツキが重畳されてしまうという問題がある。

なお、従来例１に係る作業機械の駆動制御システム１０１を、従来例２に係る作業機械の駆動制御システム１０２に作り替える場合にも、上記と同様の煩雑な作業が必要となる。

本発明は以上の事情に鑑みてなされたものであり、操作部の操作量に対応した油圧信号と電気信号とを出力する操作装置であって、操作装置から出力された電気信号が入力される装置（例えば、コントローラ）での処理を不要又は単純化することを目的とする。

本発明に係る操作装置は、
操作部と、
前記操作部の操作量に対応したパイロット圧力を出力するパイロット弁と、
前記操作部の操作量に対応した操作量信号を出力する電気信号出力装置とを備え、
前記電気信号出力装置が、前記操作部の操作量を検出して当該操作量に対応した操作量検出信号を出力する操作量検出手段と、前記操作量検出信号を前記パイロット弁から出力される前記パイロット圧力と相関を有するように変換することにより前記操作量信号を演算する操作量信号演算手段と、演算された前記操作量信号を出力する操作量信号出力手段とを有するものである。

ここで、前記操作量信号演算手段は、前記操作量検出信号と所定値とを比較し、前記操作量検出信号が前記所定値以下であれば、前記操作部が不感帯に位置するとして一定の大きさの前記操作量信号を演算し、前記操作量検出信号が所定値より大きければ、前記操作部の操作量に応じた大きさの前記操作量信号を演算するように構成されていることが望ましい。

上記構成の操作装置によれば、電気信号出力装置から出力される操作量信号（電気信号）とパイロット弁から出力されるパイロット圧力（油圧信号）とが、正の相関関係を有する。この操作装置を、作業機械に備えられる油圧アクチュエータの駆動制御システムに適用させると、操作部の操作量に対するコントロール弁へ出力されるパイロット圧力の特性と、操作部の操作量に対するコントローラへ出力される操作量信号の特性とが対応（一致）することとなる。したがって、操作量信号が入力される装置（例えば、コントローラ）で操作量信号とパイロット圧力とを対応させるための処理が不要となり、この装置の処理を簡易化することができる。

上記操作装置において、前記操作量信号演算手段は、前記操作量検出信号と対応する前記操作量信号を示した操作量検出信号−操作量信号対応情報を記憶しており、この操作量検出信号−操作量信号対応情報を用いて前記操作量信号を演算するように構成されていてよい。

上記構成によれば、複雑な演算を行うことなく、操作量検出信号から操作量信号を演算することができる。

上記操作装置において、前記操作量検出信号−操作量信号対応情報が、前記操作量検出信号に対応する前記操作量信号を試験的に求めて作成されたものであることがよい。

上記構成によれば、パイロット弁から出力されるパイロット圧力に生じる個体差（バラツキ）や、操作量検出信号に生じる操作部と操作量検出センサの間の検出誤差の大小に関わらず、パイロット圧力の個体差や操作部と操作量検出センサの間の検出誤差などが補正された操作量信号を演算することができる。

本発明によれば、操作装置から出力されるパイロット圧力と、同じく操作装置から出力される操作量信号とが、正の相関関係を有する。よって、操作装置からの操作量信号が入力される装置において、パイロット圧力と操作量信号とを対応させる処理を不要又は単純化することができる。

本発明の一実施形態に係る操作装置を備えた作業機械の駆動制御システムの概略構成を示したブロック図である。 電気信号出力装置の電気信号の流れを示したブロック図である。 操作量検出信号−操作量信号対応情報の一例を示す図である。 パイロット弁の入出力特性を示したグラフである。 操作量検出センサの入出力特性を示したグラフである。 操作量検出信号と操作量信号の関係を示したグラフである。 電気信号出力装置の入出力特性を示したグラフである。 操作量信号とパイロット圧力との関係を示したグラフである。 従来例１に係る作業車両の駆動制御装置の概略構成を示すブロック図である。 従来例２に係る作業車両の駆動制御装置の概略構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る操作装置１００を備えた作業機械の駆動制御システム１の概略構成を示したブロック図である。図１に示されるように、本発明の一実施形態に係る操作装置１００は、作業機械の駆動制御システム１の一構成要素として用いられている。作業機械の駆動制御システム１は、基本的構造として、可変容量型油圧ポンプ８と、油圧ポンプ８から送られる作動油によって駆動される油圧アクチュエータ１０と、油圧アクチュエータ１０への作動油の流れを切り換えるコントロール弁６と、油圧ポンプ８の吐出量を制御するコントローラ７とを備えている。油圧アクチュエータ１０は、例えば、作業機械に備えられた油圧シリンダや油圧モータである。ここでは、説明を簡易とするために、駆動制御システム１が１つの油圧アクチュエータ１０と１つの油圧ポンプ８を備えているが、駆動制御システム１は少なくとも１つの油圧アクチュエータ１０と少なくとも１つの油圧ポンプ８を備えていてよい。

油圧ポンプ８には、油圧ポンプ８のポンプ吐出流量を制御するポンプ容量制御装置８１が設けられている。ポンプ容量制御装置８１は、例えば、油圧ポンプ８の斜板に連結されたレギュレータと、レギュレータの駆動圧力を調圧する電磁比例弁などとで構成することができる。ポンプ容量制御装置８１は、油圧ポンプ８の斜板角度を変更することで、ポンプ吐出流量を制御する。ポンプ容量制御装置８１の動作は、コントローラ７からの傾転制御信号によって制御されている。

コントロール弁６は、油圧ポンプ８から油圧アクチュエータ１０へ作動油を供給するための油圧回路１１に設けられている。コントロール弁６は、油圧アクチュエータ１０へ供給される作動油の流れ方向、作動油の供給の開始・停止などを切り換える方向切換弁である。このコントロール弁６の動作により、油圧アクチュエータ１０の動作方向や始動・停止が切り換わる。コントロール弁６のパイロットポートには、操作装置１００からパイロット管路５を通じてパイロット圧力が供給され、このパイロット圧力によってコントロール弁６の動作が制御される。

操作装置１００は、操作部２と、操作部２の操作量に対応したパイロット圧力（油圧信号）を出力するパイロット弁３と、操作部２の操作量に対応した操作量信号（電気信号）を出力する電気信号出力装置４とを備えている。

操作部２は、油圧アクチュエータ１０への動作指令の入力を受け付ける操作入力手段である。この操作部２の操作量（操作部２の傾倒する方向、角度、及び速度等）によって油圧アクチュエータ１０の動作が決定される。

パイロット弁３は、コントロール弁６へ操作部２の操作量に対応した油圧信号を出力する油圧信号出力手段である。パイロット弁３には、図示されない油圧回路が設けられており、操作部２が操作されると、操作部２の操作量に対応したパイロット圧力がパイロット管路５へ出力される。

電気信号出力装置４は、コントローラ７へ操作部２の操作量に対応した電気信号を出力する電気信号出力手段である。図２は電気信号出力装置４の電気信号の流れを示したブロック図である。図２に示されるように、電気信号出力装置４は、操作量検出センサ４１と、操作量信号演算手段４２と、操作量信号出力手段４３とを備えている。操作量検出センサ４１と操作量信号演算手段４２、操作量信号演算手段４２と操作量信号出力手段４３、操作量信号出力手段４３とコントローラ７は、それぞれ電気信号を送信可能に有線又は無線で接続されている。

操作量検出センサ４１は、操作部２の操作量（例えば、傾動角）を直接的又は間接的に検出する操作量検出手段である。操作部２は、例えば、操作部２の傾動角を検出する少なくとも１つのポテンショメータで構成することができる。操作量検出センサ４１は、操作部操作量θを検出して、当該操作部操作量θに対応した操作量検出信号ｖを操作量信号演算手段４２へ出力する。なお、操作量検出信号ｖは、電圧値及び電流値のいずれであってもよい。

操作量信号演算手段４２は、操作量検出センサ４１から操作量検出信号ｖを取得して、取得した操作量検出信号ｖに基づいて操作量信号ｖ’を演算する。操作量信号出力手段４３は、演算された操作量信号ｖ’をコントローラ７へ出力する。操作量信号ｖ’を取得したコントローラ７は、操作部２の操作量に応じて油圧ポンプ８の作動油の吐出方向及び吐出量が変更されるように、受け取った操作量信号ｖ’に基づいて傾転制御信号を演算し、この傾転制御信号をポンプ容量制御装置８１へ出力する。

本実施形態においては、操作量信号演算手段４２と操作量信号出力手段４３は一体的に構成されている。操作量信号演算手段４２（及び操作量信号出力手段４３）は、基本構成として、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、プログラムが格納されたＲＯＭ（Read Only Memory）、ＣＰＵ作業用の一時的記憶領域を提供するＲＡＭ（Random Access Memory）、タイマ、及び入力データや出力データの出し入れをするＩ／Ｏ（Input/output Port）を備えている。操作量信号演算手段４２（及び操作量信号出力手段４３）では、ＲＯＭに記憶されたプログラム等のソフトウェアとＣＰＵ等のハードウェアとが協働することにより、操作量信号ｖ’を演算して出力する。操作量信号演算手段４２（及び操作量信号出力手段４３）として、例えば、マイクロコントローラを用いることができる。

操作量信号演算手段４２には、例えば、図３に示されるような操作量検出信号−操作量信号対応情報が記憶されている。操作量検出信号−操作量信号対応情報は、操作量検出信号ｖに対応する操作量信号ｖ’を一義的に導き出すための情報である。操作量信号演算手段４２は、電気信号出力装置４から操作量検出信号ｖを受け取ると、操作量検出信号−操作量信号対応情報を参照して操作量信号ｖ’を演算する。このように、操作量検出信号−操作量信号対応情報を利用すれば、複雑な演算を要することなく、操作量検出信号ｖに基づいて一義的に操作量信号ｖ’を得ることができる。

操作量検出信号−操作量信号対応情報は、操作量検出信号−操作量信号対応情報が記憶される電気信号出力装置４が搭載された操作装置１００で、操作量検出信号ｖに対応する操作量信号ｖ’を試験的に求めて作成したものであることが望ましい。パイロット弁３から出力されるパイロット圧力ｐには構成部品の製造バラツキによる個体差があり、操作量検出センサ４１から出力される操作量検出信号ｖには操作部２と操作量検出センサ４１の間の検出誤差（個体差）がある。そこで、上記のように試験的に求めた操作量検出信号−操作量信号対応情報を用いて操作量信号ｖ’を演算すれば、演算された操作量信号ｖ’はパイロット圧力ｐの個体差や操作部２と操作量検出センサ４１の間の検出誤差などが補正されたものとなる。よって、操作量信号ｖ’の出力先であるコントローラ７でパイロット圧力ｐの個体差や操作部２と操作量検出センサ４１の間の検出誤差などを補正する必要がない。

なお、図３に示された操作量検出信号−操作量信号対応情報は、操作量信号演算手段４２が操作量検出信号ｖから操作量信号ｖ’を演算するために利用する操作量検出信号−操作量信号対応情報の一態様である。操作量検出信号−操作量信号対応情報は、テーブルに限定されず、例えば、演算式、グラフ、マップなどの態様であってもよい。また、操作量検出信号−操作量信号対応情報は、操作量検出信号ｖにかけるフィルタであってもよい。

図４はパイロット弁３の入出力特性の一例を示したグラフである。このグラフの横軸はパイロット弁３への入力値である操作部操作量θを表し、縦軸はパイロット弁３の出力値であるパイロット圧力ｐを表している。パイロット弁３の入出力特性は不規則な非線形である。パイロット弁３には、操作量の変化に関わらずパイロット圧力ｐが変化しない不感帯が設定されている。本実施形態においては、操作部操作量θが所定の第１設定値θmin以下の範囲に不感帯が設定されている。そして、操作部操作量θが第１設定値θminより大きく所定の第２設定値θmaxより小さい範囲では、パイロット圧力ｐは操作部操作量θに対してほぼ線形的に対応している。

図５は操作量検出センサ４１の入出力特性の一例を示したグラフである。このグラフの横軸は操作量検出センサ４１への入力値である操作部操作量θを表し、縦軸は操作量検出センサ４１の出力値である操作量検出信号ｖを表している。操作量検出信号ｖは、操作部操作量θが不感帯に在るか否かに関わらず操作部操作量θの増加に伴って増大する、操作部操作量θの一次関数として表される。

上述の通り、パイロット弁３の入出力特性と操作量検出センサ４１の入出力特性は相違する。そこで、操作量信号演算手段４２では、操作量検出信号ｖをパイロット弁３から出力されるパイロット圧力ｐと正の相関を有するように変換することにより、操作量信号ｖ’が演算される。その結果、操作量検出信号ｖと操作量信号ｖ’との関係は、図６に示すような正の相関を有するようになる。より詳細には、操作量信号演算手段４２は、操作量検出信号ｖと第１設定値θminと対応する所定値とを比較し、操作量検出信号ｖが上記所定値以下であれば、操作部２が不感帯に位置するとして一定の大きさの操作量信号ｖ’を演算する。また、操作量信号演算手段４２は、操作量検出信号ｖが上記所定値より大きければ、操作部２の操作量に応じた大きさの操作量信号ｖ’を演算する。このようにして演算された操作量信号ｖ’が電気信号出力装置４から出力されることにより、パイロット弁３の入出力特性と電気信号出力装置４の入出力特性とが対応（一致）する。

図７は電気信号出力装置４の入出力特性の一例を示したグラフである。このグラフの横軸は電気信号出力装置４への入力値である操作部操作量θを表し、縦軸は電気信号出力装置４の出力値である操作量信号ｖ’を表している。電気信号出力装置４の入出力特性において、操作部操作量θが不感帯範囲内のときは、操作部操作量θに関わらず操作量信号ｖ’は中立を表す一定値（ゼロ）である。また、操作部操作量θが不感帯範囲外のときは、操作量信号ｖ’は操作部操作量θに応じた大きさの信号である。ここでは、操作量信号ｖ’は、操作部操作量θの増加に伴い増加している。

図８は操作量信号ｖ’とパイロット圧力ｐとの関係の一例を示したグラフである。このグラフでは、横軸がパイロット圧力ｐを表し、縦軸が操作量信号ｖ’を表している。上述の通り、電気信号出力装置４の入出力特性とパイロット弁３の入出力特性は、入力値に対する出力値の変化のタイミングや変化の特性が対応しているので、操作量信号ｖ’とパイロット圧力ｐとは線形的に対応する相関関係を有している。つまり、操作量信号ｖ’をパイロット圧力ｐの一次関数として表すことができる。

以上説明した通り、本実施形態に係る作業機械の駆動制御システム１では、コントローラ７へ入力される電気信号である操作量信号ｖ’と、コントロール弁６へ入力される油圧信号であるパイロット圧力ｐとが高精度な相関関係を有するので、電気信号出力装置４の入出力特性とパイロット弁３の入出力特性とが高精度に対応する。したがって、コントローラ７において、操作量検出信号ｖとパイロット圧力ｐとを対応させるための処理が不要である。よって、コントローラ７に操作量検出信号ｖとパイロット圧力ｐとを対応させるための処理を実行させるためのプログラム、操作量検出センサ４１及びパイロット弁３の少なくとも一方の入出力特性が変化した場合の上記プログラムの変更、並びに上記プログラム変更後の実機の作動確認などが不要である。

また、操作量信号ｖ’を演算する際に使用される操作量検出信号−操作量信号対応情報を本発明の操作装置の製造時、あるいは実機で試験的に取得しておけば、操作量信号ｖ’ではパイロット弁３の製造バラツキ（個体差）や操作量検出センサ４１の検出誤差などが補正されている。よって、コントローラ７で操作量信号ｖ’にパイロット弁３の個体差や操作量検出センサ４１の検出誤差などを補正するための処理が不要となる。

また、従来例１のように油圧信号を利用して油圧ポンプ８のポンプ吐出容量を制御する作業機械の駆動制御システム１０１において、コントローラ７にインストールされたプログラムに大幅な変更を加えることなく、駆動制御システム１０１のパイロット弁３及び圧力センサ９１を、本実施形態に係る操作装置１００に置き換えることができる。

１ 駆動制御システム
２ 操作部
３ パイロット弁
４ 電気信号出力装置
４１ 操作量検出センサ（操作量検出手段）
４２ 操作量信号演算手段
４３ 操作量信号出力手段
５ パイロット管路
６ コントロール弁
７ コントローラ
８ 油圧ポンプ
８１ ポンプ容量制御装置
１０ 油圧アクチュエータ
１００ 操作装置

Claims (4)

1. 操作部と、
   前記操作部の操作量に対応したパイロット圧力を出力するパイロット弁と、
   前記操作部の操作量に対応した操作量信号を出力する電気信号出力装置とを備え、
   前記電気信号出力装置が、前記操作部の操作量を検出して当該操作量に対応した操作量検出信号を出力する操作量検出手段と、前記操作量検出信号を前記パイロット弁から出力される前記パイロット圧力と相関を有するように変換することにより前記操作量信号を演算する操作量信号演算手段と、演算された前記操作量信号を出力する操作量信号出力手段とを有する、
   操作装置。
2. 前記操作量信号演算手段は、前記操作量検出信号と所定値とを比較し、前記操作量検出信号が前記所定値以下であれば、前記操作部が不感帯に位置するとして一定の大きさの前記操作量信号を演算し、前記操作量検出信号が所定値より大きければ、前記操作部の操作量に応じた大きさの前記操作量信号を演算するように構成されている、請求項１に記載の操作装置。
3. 前記操作量信号演算手段は、前記操作量検出信号と対応する前記操作量信号を示した操作量検出信号−操作量信号対応情報を記憶しており、この操作量検出信号−操作量信号対応情報を用いて前記操作量信号を演算するように構成されている、請求項１又は２に記載の操作装置。
4. 前記操作量検出信号−操作量信号対応情報が、前記操作量検出信号に対応する前記操作量信号を試験的に求めて作成されたものである、請求項３に記載の操作装置。

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