JP6518379B2 - 作業機械の圧油エネルギ回生装置 - Google Patents

Description

本発明は、作業機械の圧油エネルギ回生装置に関する。

被駆動体であるブームの自重落下によりブームシリンダから排出された圧油をアームシリンダの駆動に再利用（再生）する再生回路を備えた作業機械の油圧駆動システムにおいて、再生頻度を増加させて、さらなる省エネルギ化を図るために、ブームシリンダのボトム側とロッド側とを連通制御して、ボトム圧を昇圧させるものがある（例えば、特許文献１参照）。

また、ブームの自重落下によりブームシリンダから排出された圧油のエネルギを電気エネルギとして回収する圧油エネルギ回収装置において、圧油エネルギ回収装置を大型化せずに、標準型の建設機械（作業機械）と同等の操作性を確保することを目的として、ブームシリンダからの圧油により駆動される油圧モータと、油圧モータに機械的に連結された発電機と、発電機によって発生した電気エネルギを蓄える蓄伝装置とを備えたものがある（例えば、特許文献２参照）。この圧油エネルギ回収装置においても、ブームシリンダのボトム側とロッド側とを連通制御してボトム圧を昇圧させることにより回生効率を高めて、低圧・大流量の圧油エネルギを高圧・小流量の圧油エネルギに変換させる技術が開示されている。

国際公開第ＷＯ２０１６／０５１５７９号 国際公開第ＷＯ２０１４／１１２５６６号

上述した特許文献１及び２における、ブームシリンダのボトム側とロッド側とを連通制御してボトム圧を昇圧させる技術においては、以下のような共通の課題がある。
ブームの自重落下時にボトム側とロッド側を連通制御すると、ブームシリンダのボトム圧は最大で２倍まで昇圧する。このため、ブームシリンダのボトム側とロッド側との連通制御を行わない従来機と比較すると、高負荷が作用した場合に機器の破損を防ぐために取付けられているオーバーロードリリーフ弁のオーバーロードリリーフ設定圧に達しやすくなる。

従来機においては、通常作業であるバケットによる土砂の積載や重量物の吊り下げを行っても、ボトム圧がオーバーロードリリーフ設定圧に達することはない。しかし、回生効率を高めるためボトム側とロッド側を連通した場合、最大で２倍までボトム圧が昇圧するため、上述した動作をした場合であっても、オーバーロードリリーフ設定圧に達してしまい、ブームが不用意に落下する虞が生じる。

これに対して、特許文献２には、シリンダのボトム圧がオーバーロードリリーフ設定圧に近づいたら、ボトム側とロッド側の連通を遮断して、昇圧を抑制することが記載されている。この様に、ボトム側とロッド側を急激に遮断した場合、圧力の急激な変化に伴って切換ショックが発生すると共に、オペレータに対して操作に対する大きな違和感を与えることが想定されるが、特許文献２には、具体的にどのように切換ショックを低減するかなどについての説明はなされていない。

本発明は、上述の事柄に基づいてなされたもので、その目的は、油圧シリンダの戻り油を昇圧し回生する圧油エネルギ回生装置において、オーバーロードリリーフ設定圧に達する事を防ぐと共に、切換ショックを抑制し良好な操作性を確保可能な作業機械の圧油エネルギ回生装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、被駆動体を駆動または前記被駆動体の自重落下時に収縮する油圧シリンダと、前記被駆動体の自重落下時に前記油圧シリンダの排出側と吸入側とを連通することにより、排出側の圧油の圧力を昇圧することが可能な連通昇圧通路と、前記連通昇圧通路に配置され前記連通昇圧通路の圧力または流量もしくはその両方を調整可能な連通昇圧弁と、前記被駆動体の自重落下時に、前記油圧シリンダから排出される圧油を再生可能な再生側管路及び再生制御弁、または前記油圧シリンダから排出される圧油を電気エネルギとして回生可能な回生側管路及び回生制御弁と、前記油圧シリンダの排出側の圧力を検出可能な第１圧力検出器と、前記被駆動体を自重落下させるための操作装置と、前記操作装置の操作量を検出する操作量検出器と、前記第１圧力検出器が検出した前記油圧シリンダの排出側の圧力信号と、前記操作量検出器が検出した前記操作装置の操作量信号とが入力され、前記連通昇圧弁を制御可能な制御装置とを備えた作業機械の圧油エネルギ回生装置において、前記制御装置は、前記第１圧力検出器が検出した前記油圧シリンダの排出側の圧力が予め定めた高負荷設定圧に達した場合、達した直後は前記圧力の増加に応じて前記連通昇圧弁の開度を減少させ、時間の経過と共に前記連通昇圧弁の開度を緩やかに減少させることを特徴とする。

本発明によれば、ブームシリンダに高負荷が作用した場合であっても、オーバーロードリリーフ設定圧に達する事を防ぐと共に、切換ショックを抑制し良好な操作性を確保することができる。

本発明の作業機械の圧油エネルギ回生装置の第１の実施の形態を搭載した油圧ショベルを示す側面図である。 本発明の作業機械の圧油エネルギ回生装置の第１の実施の形態を示す概略図である。 本発明の作業機械の圧油エネルギ回生装置の第１の実施の形態を構成するコントローラのブロック図である。 本発明の作業機械の圧油エネルギ回生装置の第１の実施の形態を構成する連通昇圧弁の開口面積特性を示す特性図である。 本発明の作業機械の圧油エネルギ回生装置の第１の実施の形態を構成する関数発生器１４９の特性を示す特性図である。 本発明の作業機械の圧油エネルギ回生装置の第１の実施の形態を構成する連通昇圧弁の制御特性の一例を示す特性図である。 本発明の作業機械の圧油エネルギ回生装置の第１の実施の形態を構成する連通昇圧弁の制御特性の他の例を示す特性図である。 本発明の作業機械の圧油エネルギ回生装置の第１の実施の形態を構成する再生制御弁の開口面積特性を示す特性図である。 本発明の作業機械の圧油エネルギ回生装置の第２の実施の形態を構成するコントローラのブロック図である。 本発明の作業機械の圧油エネルギ回生装置の第２の実施の形態を構成するコントローラの入力部を説明するブロック図である。 本発明の作業機械の圧油エネルギ回生装置の第２の実施の形態を構成するコントローラの入力変換部の特性を示す特性図である。 本発明の作業機械の圧油エネルギ回生装置の第３の実施の形態を示す概略図である。 本発明の作業機械の圧油エネルギ回生装置の第４の実施の形態を示す概略図である。 本発明の作業機械の圧油エネルギ回生装置の第５の実施の形態を示す概略図である。 本発明の作業機械の圧油エネルギ回生装置の第６の実施の形態を示す概略図である。

以下、本発明の作業機械の圧油エネルギ回生装置の実施の形態を図面を用いて説明する。

図１は本発明の作業機械の圧油エネルギ回生装置の第１の実施の形態を搭載した油圧ショベルを示す側面図、図２は本発明の作業機械の圧油エネルギ回生装置の第１の実施の形態を示す概略図である。
図１において、油圧ショベルは下部走行体２００と上部旋回体２０２とフロント作業機２０３を備えている。下部走行体２００は左右のクローラ式走行装置２００ａ，２００ａ（片側のみ図示）を有し、左右の走行モータ２００ｂ，２００ｂ（片側のみ図示）により駆動される。上部旋回体２０２は下部走行体２００上に旋回可能に搭載され、旋回モータ２０２ａにより旋回駆動される。フロント作業機２０３は上部旋回体２０２の前部に俯仰可能に取り付けられている。上部旋回体２０２にはキャビン（運転室）２０２ｂが備えられ、キャビン２０２ｂ内には後述する第１及び第２操作装置６，１０（図２参照）や図示しない走行用の操作ペダル装置等の操作装置が配置されている。

フロント作業機２０３はブーム２０５（第１被駆動体）、アーム２０６（第２被駆動体）、バケット２０７を有する多関節構造であり、ブーム２０５はブームシリンダ４の伸縮により上部旋回体２０２に対して上下方向に回動し、アーム２０６はアームシリンダ８の伸縮によりブーム２０５に対して上下及び前後方向に回動し、バケット２０７はバケットシリンダ２０８の伸縮によりアーム２０６に対して上下及び前後方向に回動する。ブーム２０５とブームシリンダ４の関係については、ブームシリンダ４が伸長することにより、ブーム２０５の上げ動作がなされ、ブームシリンダ４が縮小することにより、ブーム２０５の下げ動作がなされる。なお、ブーム２０５が自重落下する場合、ブームシリンダ４はブーム２０５によって縮小（収縮）される。

図２において、本実施の形態の圧油エネルギ回生装置は、メインの油圧ポンプ１及びパイロットポンプ３を含むポンプ装置５０と、油圧ポンプ１から圧油が供給され、ブーム２０５（図１参照）を駆動するブームシリンダ４（第１油圧アクチュエータ）と、油圧ポンプ１から圧油が供給され、アーム２０６（図１参照）を駆動するアームシリンダ８（第２油圧アクチュエータ）と、油圧ポンプ１からブームシリンダ４に供給される圧油の流れ（流量と方向）を制御する制御弁５（第１流量調整装置）と、油圧ポンプ１からアームシリンダ８に供給される圧油の流れ（流量と方向）を制御する制御弁９（第２流量調整装置）と、ブームの動作指令を出力し制御弁５を切り換える第１操作装置６と、アームの動作指令を出力し制御弁９を切り換える第２操作装置１０とを備えている。油圧ポンプ１は図示しない他のアクチュエータにも圧油が供給されるように図示しない制御弁にも接続されているが、それらの回路部分は省略している。

油圧ポンプ１は可変容量型であり、レギュレータ１ａを備え、コントローラ２７（後述）からの制御信号によってレギュレータ１ａを制御することで油圧ポンプ１の傾転角（容量）が制御され、吐出流量が制御される。また、図示はしないが、レギュレータ１ａは公知の如く、油圧ポンプ１の吐出圧が導かれ、油圧ポンプ１の吸収トルクが予め定めた最大トルクを超えないように油圧ポンプ１の傾転角（容量）を制限するトルク制御部を有している。油圧ポンプ１は圧油供給管路７ａ，１１ａを介して制御弁５，９に接続され、油圧ポンプ１の吐出油は制御弁５，９に供給される。

流量調整装置である制御弁５，９は、それぞれ、ボトム側管路１５，２０又はロッド側管路１３，２１を介してブームシリンダ４及びアームシリンダ８のボトム側油室或いはロッド側油室に接続され、制御弁５，９の切換位置に応じて、油圧ポンプ１の吐出油は制御弁５，９からボトム側管路１５，２０又はロッド側管路１３，２１を介してブームシリンダ４及びアームシリンダ８のボトム側油室或いはロッド側油室に供給される。ブームシリンダ４から排出された圧油は、少なくともその一部が制御弁５からタンク管路７ｂを介してタンクに環流される。アームシリンダ８から排出された圧油は、その全てが制御弁９からタンク管路１１ｂを介してタンクに環流される。

第１及び第２操作装置６，１０は、それぞれ、操作レバー６ａ，１０ａとパイロット弁６ｂ，１０ｂとを有し、パイロット弁６ｂ，１０ｂは、それぞれ、パイロット管路６ｃ，６ｄ及びパイロット管路１０ｃ，１０ｄを介して制御弁５の操作部５ａ，５ｂ及び制御弁９の操作部９ａ，９ｂに接続されている。

操作レバー６ａがブーム上げ方向（図示左方向）に操作されると、パイロット弁６ｂは操作レバー６ａの操作量に応じた操作パイロット圧Puを生成し、この操作パイロット圧Puはパイロット管路６ｃを介して制御弁５の操作部５ａに伝えられ、制御弁５はブーム上げ方向（図示右側の位置）に切り換えられる。操作レバー６ａがブーム下げ方向（図示右方向）に操作されると、パイロット弁６ｂは操作レバー６ａの操作量に応じた操作パイロット圧Pdを生成し、この操作パイロット圧Pdはパイロット管路６ｄを介して制御弁５の操作部５ｂに伝えられ、制御弁５はブーム下げ方向（図示左側の位置）に切り換えられる。

操作レバー１０ａがアームクラウド方向（図示右方向）に操作されると、パイロット弁１０ｂは操作レバー１０ａの操作量に応じた操作パイロット圧Pcを生成し、この操作パイロット圧Pcはパイロット管路１０ｃを介して制御弁９の操作部９ａに伝えられ、制御弁９はアームクラウド方向（図示左側の位置）に切り換えられる。操作レバー１０ａがアームダンプ方向（図示左方向）に操作されると、パイロット弁１０ｂは操作レバー１０ａの操作量に応じた操作パイロット圧Pdを生成し、この操作パイロット圧Pdはパイロット管路１０ｄを介して制御弁９の操作部９ｂに伝えられ、操作弁９はアームダンプ方向（図示右側の位置）に切り換えられる。

ブームシリンダ４のボトム側管路１５とロッド側管路１３との間、アームシリンダ８のボトム側管路２０とロッド側管路２１との間には、それぞれ、メイクアップ付きオーバーロードリリーフ弁１２，１９が接続されている。メイクアップ付きオーバーロードリリーフ弁１２，１９は、ボトム側管路１５，２０及びロッド側管路１３，２１の圧力が上がりすぎることにより油圧回路機器が損傷することを防ぐ機能と、ボトム側管路１５，２０及びロッド側管路１３，２１が負圧になることによりキャビテーションが発生することを低減する機能を有している。

また、本実施の形態の圧油エネルギ回生装置は、ブームシリンダ４のボトム側管路１５に配置され、ブームシリンダ４のボトム側油室から排出される圧油の流量を、制御弁５側（タンク側）とアームシリンダ８の圧油供給管路１１ａ側（再生管路側）とに分配調整可能とする２位置３ポートの再生制御弁１７と、再生制御弁１７の一方の出口ポートに一端側が接続され他端側が圧油供給管路１１ａに接続される再生管路１８と、ブームシリンダ４のボトム側管路１５及びロッド側管路１３からそれぞれ分岐し、ボトム側管路１５及びロッド側管路１３とを接続する連通管路１４と、連通管路１４に配置され、電磁比例弁２８を介した第１操作装置６のブーム下げ方向の操作パイロット圧Pd（操作信号）に基づいて開弁し、ブームシリンダ４のボトム側油室の排出油の一部をブームシリンダ４のロッド側油室に再生して供給することにより、ブームシリンダ４のボトム側油室の圧力を最大２倍まで昇圧できる連通昇圧弁１６と、電磁比例弁２２、２８と、圧力センサ２３，２４，２５，２６、２９と、コントローラ２７とを備えている。

連通昇圧弁１６は操作部１６ａを有していて、操作部１６ａには、電磁比例弁２８を介した第１操作装置６のブーム下げ方向の操作パイロット圧Pd（操作信号）が供給されている。
連通昇圧弁１６のストロークは１個の電磁比例弁２８によって制御される。電磁比例弁２８は、コントローラ２７の制御信号によってその開度を変化させることで、第１操作装置６のブーム下げ方向BDの操作パイロット圧Pd（操作信号）を所望の圧力に変換している。

連通昇圧弁１６が開動作することでブームシリンダ４のボトム側油室の圧力が最大２倍まで昇圧する原理について、以下に説明する。
連通昇圧弁１６の開弁前と開弁後のそれぞれにおいて、ブームシリンダ４がブームを支持しているときの力の釣合を考える。そのときのブームシリンダ４に関連するパラメータを以下のようにシンボルで表す。

Ｐｂ：連通昇圧弁１６の開弁前のブームシリンダ４のボトム側圧力
Ｐｂ’：連通昇圧弁１６の開弁後のブームシリンダ４のボトム側圧力
Ｐｒ：連通昇圧弁１６の開弁前のブームシリンダ４のロッド側圧力
Ｐｒ’：連通昇圧弁１６の開弁後のブームシリンダ４のロッド側圧力
Ａｂ：ブームシリンダ４のボトム側受圧面積
Ａｒ：ブームシリンダ４のロッド側受圧面積
Ｍ：ブームシリンダ４の自重方向に作用する質量
ｇ：重力加速度
連通昇圧弁１６の開弁前であってロッド側に圧力が作用していないときの力の釣合は以下の式で表される。
Ｍｇ＝Ａｂ×Ｐｂ ・・・（１）
連通昇圧弁１６の開弁後の力の釣合は以下の式で表される。
Ｍｇ＋Ａｒ×Ｐｒ’＝Ａｂ×Ｐｂ’ ・・・（２）
ここで、連通昇圧弁１６を全開にした状態で圧損が無いと仮定すると、以下の式が導かれる。
Ｐｂ’＝Ｐｒ’ ・・・（３）
（１）式と（３）式を（２）式に代入し、Ｐｂ’について解くと以下の式が導かれる。
Ｐｂ’＝Ａｂ／（Ａｂ−Ａｒ）×Ｐｂ ・・・（４）
通常のブームシリンダにおいて、ボトム側受圧面積Ａｂはロッド側受圧面積Ａｒの約２倍であることからＡｂ／（Ａｂ−Ａｒ）は、約２になる。したがって、（４）式から以下の式が導かれる。
Ｐｂ’＝２×Ｐｂ ・・・（５）
（５）式より、連通昇圧弁１６が閉止しているときに比べて、開弁しているときは、ブームシリンダ４のボトム側圧力は２倍まで上昇する。但し、（５）式は連通昇圧弁１６とブームシリンダ４のボトム側からロッド側までの管路の損失が無いものと仮定した場合に成立するものであり、連通昇圧弁１６を絞ることにより、昇圧の度合いを調整することができる。絞り量については、実験などにより決定する。

再生制御弁１７は、ブームシリンダ４のボトム側からの排出油をタンク側（制御弁５側）と再生管路１８側とに流すことができるようにタンク側通路と再生側通路とを有している。再生制御弁１７は、操作部１７ａを有していて、操作部１７ａには、電磁比例弁２２を介したパイロット圧が供給されている。再生制御弁１７のストロークは１個の電磁比例弁２２によって制御される。電磁比例弁２２は、コントローラ２７の制御信号によってその開度を変化させることで、パイロットポンプ３から供給された圧油を所望のパイロット圧に変換している。

圧力センサ２３はパイロット管路６ｄに接続され、第１操作装置６のブーム下げ方向の操作パイロット圧Pdを検出し、圧力センサ２４はパイロット管路１０ｄに接続され、第２操作装置１０のアームダンプ方向の操作パイロット圧Pdを検出する。また、圧力センサ２５はブームシリンダ４のボトム側管路１５に接続され、ブームシリンダ４のボトム側油室の圧力を検出し、圧力センサ２６はアームシリンダ８側の圧油供給管路１１ａに接続され、油圧ポンプ１の吐出圧を検出する。圧力センサ２９は、ブームシリンダ４のロッド側管路１３に接続され、ブームシリンダ４のロッド側油室の圧力を検出する。

コントローラ２７は、圧力センサ２３，２４，２５，２６，２９からの検出信号１２３，１２４，１２５，１２６，１２９を入力し、それらの信号に基づいて所定の演算を行い、電磁比例弁２２，２８とレギュレータ１ａに制御指令を出力する。

次に、ブームシリンダ４のロッド側の圧力を検出する圧力センサ２９を設けたことにより、連通昇圧弁１６の絞り制御しているときにも、ブームシリンダ４に作用する負荷が正確に把握できる原理について、以下に説明する。

ここでは、ブームシリンダ４に作用する負荷を、ブームシリンダ４のボトム側受圧面積Ａｂだけで受けた負荷圧と定義する。上述した（１）式を変形すると以下の式が導かれる。
Ｐｂ＝Ｍｇ／Ａｂ ・・・（６）
（６）式は、連通昇圧弁１６の開弁前であってロッド側に圧力が作用していない場合であり、連通昇圧弁１６を開弁して絞り制御する場合は、Ｐｂ’≠Ｐｒ’となることから（２）式を変形して両辺をＡｂで除算して以下の式が導かれる。
Ｍｇ／Ａｂ＝Ｐｂ’−Ａｒ／Ａｂ×Ｐｒ’ ・・・（７）
そして、（７）式に（６）式を代入して以下の式が導かれる。

Ｐｂ＝Ｐｂ’−Ａｒ／Ａｂ×Ｐｒ’ ・・・（８）
（８）式より、ブームシリンダ４に作用する負荷圧は、ボトム側圧力とロッド側圧力から算出することができる。本実施の形態においては、圧力センサ２４、２９からボトム側圧力とロッド側圧力を検出可能なことから、ブームシリンダ４の負荷に応じた細かい制御が可能になる。

次に、ブーム下げを行う場合の動作の概要について説明する。
図２において、第１操作装置６の操作レバー６ａがブーム下げ方向に操作された場合、第１操作装置６のパイロット弁６ｂから発生した操作パイロット圧Pdは制御弁５の操作部５ｂと電磁比例弁２８を介して連通制御弁１６の操作部１６ａに入力される。それにより制御弁５は図示左側の位置に切換られ、ボトム管路１５がタンク管路７ｂと連通することにより、ブームシリンダ４のボトム側油室から圧油がタンクに排出され、ブームシリンダ４のピストンロッドが縮小動作（ブーム下げ動作）を行う。

さらに連通昇圧弁１６が図示下側の連通位置に切換られることにより、ブームシリンダ４のボトム側管路１５からロッド側管路１３に圧油が再生される。このことにより、ブームシリンダ４のボトム側の圧力が昇圧すると共に、油圧ポンプ１から圧油を供給する必要がなくなるので、油圧ポンプ１の出力が抑制され燃費を低減できる。

次に、ブーム下げとアームの駆動を同時に行う場合の動作の概要について説明する。なお、原理としてはアームダンプをする場合とクラウドする場合で同様のため、アームダンプ動作を例に説明する。

第２操作装置１０のパイロット弁１０ｂから発生した操作パイロット圧Pdは制御弁９の操作部９ｂに入力される。それにより制御弁９は切換られ、ボトム管路２０がタンク管路１１ｂと連通しかつロッド管路２１が圧油供給管路１１ａと連通することにより、アームシリンダ８のボトム側油室の圧油はタンクに排出され、油圧ポンプ１からの吐出油がアームシリンダ８のロッド側油室に供給される。この結果、アームシリンダ８のピストンロッドは縮小動作を行う。

コントローラ２７には圧力センサ２３，２４，２５，２６，２９からの検出信号１２３，１２４，１２５，１２６，１２９が入力され、後述する制御ロジックによって、電磁比例弁２２，２８と油圧ポンプ１のレギュレータ１ａに制御指令を出力する。

電磁比例弁２２からの圧力信号により、再生制御弁１７は制御され、ブームシリンダ４のボトム側油室から排出された圧油を再生制御弁１７を介しアームシリンダ８に再生する。

油圧ポンプ１のレギュレータ１ａは制御指令に基づいて油圧ポンプ１の傾転角を制御し、再生制御弁１７の再生流量に応じてポンプ流量を減少制御して、燃費低減を図る。

第１操作装置６のパイロット弁６ｂから発生した操作パイロット圧Pdは、制御弁５の操作部５ｂと電磁比例弁２８を介して連通制御弁１６の操作部１６ａに入力される。それにより制御弁５と連通昇圧弁１６は切換られ、ブームシリンダ４のボトム側油室から排出された圧油が再生される。このことにより、油圧ポンプ１の圧油をブームシリンダ４のロッド側管路１３に供給しなくても良いため、油圧ポンプ１の余分な出力が抑制され、ブームシリンダ４のボトム流量を有効に利用できる。また、連通昇圧弁１６を介してブームシリンダ４のボトム側の圧油を最大２倍まで昇圧することにより、ブームからアームへの再生を行いやすくしている。

上述したように、ブーム下げ時に連通昇圧弁１６を開弁することにより、ブームシリンダ４のボトム側圧力を最大２倍まで昇圧することができるので、ブームシリンダ４のボトム側の圧力がアームシリンダ８の圧力よりも高くなる頻度が増加する。この結果、再生流量も増加するので、燃費低減を図ることができる。

しかし、ブームシリンダ４に高負荷が作用したときに、ボトム側の圧力を２倍まで昇圧すると、オーバーロードリリーフ設定圧に達してしまう可能性が生じる。すなわち、圧油がオーバーロードリリーフ弁１２から排出されてブームが不用意に下がってしまう虞がある。このことを防ぐために、オーバーロードリリーフ設定圧に近づくと連通昇圧弁１６を閉弁する必要があるが、急激に閉弁するとブームシリンダ４の速度が急変してショックが発生する。

このことを防止するために、本実施の形態においては、ボトム側の圧力に応じて電磁比例弁２８を制御することにより連通昇圧弁１６の開度を調整して、圧力がオーバーロードリリーフ設定圧に達することを防ぐと共に急激な圧力変動を抑制して、良好な操作性を確保している。

次にコントローラ２７の制御機能について図３を用いて説明する。図３は本発明の作業機械の圧油エネルギ回生装置の第１の実施の形態を構成するコントローラのブロック図である。
図３に示すように、コントローラ２７は、関数発生器１３１、関数発生器１３３、関数発生器１３４、関数発生器１３５、積算器１３６、積算器１３８、関数発生器１３９、積算器１４０、積算器１４２、減算器１４４、ゲイン発生器１４８、積算器１５０、出力変換部１５１、出力調整部１５２、減算器１６０、減算器１６１を有している。

図３において、ロッド圧信号１２９は圧力センサ２９により検出したブームシリンダ４のロッド圧であり、ボトム圧信号１２５は圧力センサ２５により検出したブームシリンダ４のボトム圧であり、ポンプ圧信号１２６は、圧力センサ２６により検出した油圧ポンプ１の吐出圧である。また、レバー操作信号１２３は第１操作装置６のブーム下げ方向の操作パイロット圧を圧力センサ２３により検出した信号であり、レバー操作信号１２４は第２操作装置１０のアームダンプ方向の操作パイロット圧を圧力センサ２４により検出した信号である。

関数発生器１３４にはレバー操作信号１２３が入力され、入力信号に比例した出力信号（最大が１で最小が０）が積算器１５０、１３６、１３８に入力される。積算器１５０には、この信号の他に、後述する関数発生器１４９から出力される値（最大が１で最小が０）が出力調整部１５２を介して入力される。

したがって、関数発生器１４９の出力が１の場合は、積算器１５０の出力は関数発生器１３４の出力信号と同じ値として出力変換部１５１に入力され、出力変換部１５１によって電磁弁指令１２８として電磁比例弁２８へ出力される。すなわち、関数発生器１４９から１が積算器１５０に出力された場合には、連通昇圧弁１６は、ブーム下げのレバー操作信号１２３に比例した開口面積となる。

ゲイン発生器１４８にはロッド圧信号１２９が入力される。ゲイン発生器１４８では上述した（８）式のＡｒ／Ａｂ、すなわちブームシリンダ４のボトム側受圧面積に対するロッド側受圧面積の比率が設定されていて、この比率にロッド圧信号１２９を乗算した出力信号が減算器１６１の一方側に入力される。

減算器１６１の他方側には、ボトム圧信号１２５が入力され、減算器１６１は、（８）式を演算する。したがって、減算器１６１の出力信号はブームシリンダ４の負荷圧の信号となって、関数発生器１４９に入力される。

関数発生器１４９は、負荷圧信号に応じて連通昇圧弁１６の開度を調整するために０から１の連続した信号のいずれかを演算して出力調整部１５２へ出力する。ここで、連通昇圧弁１６への制御圧と開口面積との関係について図４及び図５を用いて説明する。図４は本発明の作業機械の圧油エネルギ回生装置の第１の実施の形態を構成する連通昇圧弁の開口面積特性を示す特性図、図５は本発明の作業機械の圧油エネルギ回生装置の第１の実施の形態を構成する関数発生器１４９の特性を示す特性図である。

図４において横軸は電磁比例弁２８から出力される制御圧であり、縦軸は連通昇圧弁１６の開口面積を示す。連通昇圧弁１６は供給される制御圧の増加にしたがって、開口面積を増加させる。

図５は関数発生器１４９の特性を示すものであって、横軸はブームシリンダ４の負荷圧であり、縦軸は出力信号であって最大値が１を示す。図５において、関数発生器１４９は、負荷圧がＰｓｅｔ１以下の場合には１を出力し、負荷圧がＰｓｅｔ１を超過して増加すると徐々に出力を減少させて、負荷圧がＰｓｅｔ２以上になると出力を０にするように設定している。図５に示すＰｓｅｔ２は、オーバーロードリリーフ設定圧よりも少し低い値に設定されていて、Ｐｓｅｔ１は、Ｐｓｅｔ２よりもさらに低い値に設定されている。

このことから、負荷圧が低い場合、関数発生器１４９は１を出力するので、連通昇圧弁１６はブーム下げのレバー操作信号１２３に比例した開口面積となる。負荷圧が高くなるにつれて、関数発生器１４９の出力は１よりも小さくなるため、連通昇圧弁１６の開口面積が絞られ、負荷圧がオーバーロード設定圧に近づいて関数発生器１４９が０を出力した場合には、連通昇圧弁１６は閉止される。このように、ブームシリンダ４のボトム圧とロッド圧から負荷圧を算出して、この負荷圧を基にオーバーロード設定圧に対する連通昇圧弁１６の開度補正を行うのでより細かい制御が可能になる。さらに、ブーム下げ操作量であるレバー操作信号１２３に応じて連通昇圧弁１６の開口面積を調整可能となるので、より細かい制御が可能になり、良好な操作性を確保できる。

なお、本実施の形態においては、ロッド圧信号とボトム圧信号から負荷圧を演算し、この負荷圧を関数発生器１４９に入力させるように構成したが、ロッド圧信号は必ず制御に用いる必要はなく、例えば、負荷圧に替えてボトム圧信号１２５の出力を関数発生器１４９に入力するように構成しても良い。

図３に戻り、関数発生器１４９の出力信号は出力調整部１５２に入力される。出力調整部１５２は、連通昇圧弁１６の急激な切り換え動作を防止するために、適度な遅れを付加した信号を積算器１５０に出力する。出力調整部１５２の動作について図６Ａ、６Ｂを用いて説明する。図６Ａは本発明の作業機械の圧油エネルギ回生装置の第１の実施の形態を構成する連通昇圧弁の制御特性の一例を示す特性図、図６Ｂは本発明の作業機械の圧油エネルギ回生装置の第１の実施の形態を構成する連通昇圧弁の制御特性の他の例を示す特性図である。

図６Ａは負荷圧が低い場合のブーム下げ操作にともなう挙動を示していて、図６Ｂはブーム下げ操作後に負荷圧が上昇した場合の挙動を示している。図６Ａと図６Ｂにおいて、横軸は時間を示していて、縦軸は、（ａ）ブーム下げのレバー操作量、（ｂ）負荷圧信号、（ｃ）出力調整部１５２の出力信号、（ｄ）連通昇圧弁１６の開口面積をそれぞれ示している。なお、（ｃ）において、実線は出力調整部１５２の出力信号を示し、一点鎖線は、出力調整部１５２の入力信号である関数発生器１４９の出力信号を示す。

図６Ａにおいては、（ｂ）で示す負荷圧が関数発生器１４９のＰｓｅｔ１より低く一定なので、（ｃ）で示す出力調整部１５２の出力は１の信号が出力され続ける。積算器１５０の出力は、ブーム下げのレバー操作信号１２３となるので、（ｄ）に示すように連通昇圧弁１６の開口面積は、（ａ）で示すブーム下げのレバー操作量が増加する時刻ｔ０から、レバー操作量に応じて増加している。

図６Ｂは負荷圧が高くなる場合を示す。図６Ｂにおいて、（ａ）で示すようにブーム下げのレバー操作量が一定値で入力されているときに、時刻ｔ１から（ｂ）で示す負荷圧が上昇して時刻ｔ２で一定値になった場合、（ｃ）で示すように関数発生器１４９の出力は一点鎖線で示すように負荷圧に応じて減少して時刻ｔ２で最小となる。

関数発生器１４９の出力が出力調整部１５２に入力されると、入力調整部１５２では適度な遅れを付加するので、その出力は（ｃ）の実線で示すように時刻ｔ１から緩やかに減少して時刻ｔ３で最小値となる。関数発生器１４９の出力と入力調整部１５２との機能は、負荷圧力が予め定めたＰｓｅｔ１に達した場合、達した直後は負荷圧の増加に応じて連通昇圧弁１６の開度を減少させ、時間の経過と共に連通昇圧弁１６の開度を緩やかに減少させるように動作する。このように積算器１５０の一方の入力信号である出力調整部１５２出力が変化し、他方のレバー操作量信号は一定のままなので、積算器１５０の出力は、（ｃ）と同様に変化する。このことにより、（ｄ）に示すように連通昇圧弁１６の開口面積は時刻ｔ１から時刻ｔ３にかけて緩やかに絞られている。このことにより、ブームシリンダ４の速度変化が抑制され良好な操作性が確保できる。

なお、出力調整部１５２は、ローパスフィルタやレートリミッタなどにより実現できる。また、本実施の形態では、関数発生器１４９と出力調整部１５２を用いて連通昇圧弁１６の開口面積の急激な変化を抑制したが、このように関数発生器１４９と出力調整部１５２の両方を用いることに限る必要はない。作業機械の機種やフロント作業機２０３に取付けるアタッチメントによっては、いずれか一方でも良い。

図３に戻り、減算器１６０には、ボトム圧信号１２５及びポンプ圧信号１２６が入力され、ボトム圧信号１２５とポンプ圧信号１２６の差圧が求められ、この差圧信号が関数発生器１３１と関数発生器１３３に入力される。

関数発生器１３１は、減算器１６０で求めた差圧信号に応じた再生制御弁１７の再生側通路の開口面積を算出するものである。再生制御弁１７の開口面積特性を図７に示す。図７は本発明の作業機械の圧油エネルギ回生装置の第１の実施の形態を構成する再生制御弁の開口面積特性を示す特性図である。

図７の横軸は生成制御弁１７のスプールストロークを示し、縦軸に開口面積を示す。スプールストロークが最小の場合は、開口面積をタンク側が開口して再生側を閉じるようにしているため、再生されることはない。ストロークが徐々に増加すると、タンク側が閉じて再生側の開口が開くことになるため、ブームシリンダ４のボトム側から排出された圧油が再生管路１８に流入する。

図３に戻り、関数発生器１３１は減算器１６０から出力される差圧信号に応じて指令信号を出力する。具体的には、差圧が小さい場合には、再生制御弁１７のストロークを小さくして再生側の開口面積を絞ると共に、タンク側の開口面積を広くする。差圧が大きい場合は、再生側開口を広くし、差圧が一定値に達すると再生側開口を最大限開き、タンク側開口を閉じるように制御する。このことにより、再生制御弁１７の切換ショックを抑制する。

すなわち、ブーム下げ操作とアーム操作を同時に行った場合、動き始めは差圧が小さく、時間が経つにつれて差圧が大きくなる。このため、差圧に応じて再生側の開口面積を徐々に開くことで、切換ショックが抑制できて、良好な操作性が実現できる。さらに、差圧が小さい場合は、再生側開口を広くしても再生流量が少ないことから、ブームシリンダ速度が遅くなることがある。そのため差圧が小さい場合は、タンク側の開口面積を広くすることによりボトム流量を多くして、ブームシリンダ速度をオペレータの望む速度にするように制御している。差圧が大きい場合は、再生流量が十分多くなることから、タンク側を閉じることにより、ブームシリンダ速度が速くなりすぎることを防止している。

関数発生器１３３は、減算器１６０から出力される差圧信号に応じて油圧ポンプ１の低減流量（以下ポンプ低減流量という）を求めるものである。関数発生器１３１の特性により差圧が大きくなるほど再生側開口面積を大きくすることから、再生流量が多くなる。そして、再生流量が多くなるにつれて、油圧ポンプ１の流量を低減することにより、油圧ポンプ１の出力を抑えられ、燃費を低減することができる。差圧が大きくなるほど再生流量が多くなることから、ポンプ低減流量も多くなるように設定している。

積算器１３６は、関数発生器１３１で算出された再生側開口面積と関数発生器１３４で算出された値とを入力し、積算値を開口面積として出力する。ここで、第１操作装置６のレバー操作信号１２３が小さい場合は、ブームシリンダ速度を遅くする必要があることから、再生流量も減らす必要がある。このため、関数発生器１３４は０以上１以下の範囲で小さい値を出力し、積算器１３６に送ることにより、関数発生器１３１で算出された再生側開口面積を小さく設定する。

ポンプ低減流量も同様に、再生流量が少ない場合はポンプ低減流量も少なく設定する必要があることから、関数発生器１３４の出力は積算器１３８にも送られ、ポンプ低減流量を減らすように設定する。積算器１３８は、関数発生器１３３で算出されたポンプ低減流量と関数発生器１３４で算出された値とを入力し、積算値をポンプ低減流量として出力する。

一方、第１操作装置６のレバー操作信号１２３が大きい場合は、ブームシリンダ速度を速くする必要があることから、再生流量も増加することができる。このため、関数発生器１３４は０以上１以下の範囲で大きい値を出力し、積算器１３６に送ることにより、関数発生器１３１で算出された再生側開口面積を大きく設定する。
ポンプ低減流量も同様に、再生流量が大きい場合は、ポンプ低減流量も大きく設定する必要があることから、関数発生器１３４の出力は積算器１３８にも送られ、ポンプ低減流量を増加するように設定する。

関数発生器１３５は、第２操作装置１０のレバー操作信号１２４が入力され、入力信号に比例した出力信号（最大が１で最小が０）が積算器１４０、１４２に入力される。第２操作装置１０のレバー操作信号１２４が小さい場合は、アームシリンダ速度を遅くする必要があることから、再生流量も減らす必要がある。このため、関数発生器１３５は０以上１以下の範囲から小さい値を出力し、積算器１４０に送ることにより、関数発生器１３１で算出された再生側開口面積を小さく設定する。

ポンプ低減流量も同様に、再生流量が少ない場合は、ポンプ低減流量も少なく設定する必要があることから、関数発生器１３５の出力は積算器１４２にも送られ、ポンプ低減流量を減らすように設定する。

一方、第２操作装置１０のレバー操作信号１２４が大きい場合は、アームシリンダ速度を速くする必要があることから、再生流量を増加することができる。このため、関数発生器１３５は０以上１以下の範囲で大きい値を出力し、積算器１４０に送ることにより、関数発生器１３１で算出された再生側開口面積を大きく設定する。
ポンプ低減流量も同様に、再生流量が大きい場合は、ポンプ低減流量も大きく設定する必要があることから、関数発生器１３５の出力は積算器１４２にも送られ、ポンプ低減流量を増加するように設定する。

なお、ブームシリンダ４のボトム側の排出油が再生する場合としない場合とで、ブームシリンダ速度が大きく変わらないように、関数発生器１３１、１３３、１３４、１３５のテーブル及び再生制御弁の開口面積特性を調整することが望ましい。特にブームシリンダ４の圧油をアームシリンダ８に再生する動作は、主に水平引き動作であるため、その場合のブームシリンダ４のボトム圧とアームシリンダ８のロッド圧とは、ある程度の決まった傾向になる。このため、水平引き動作時の圧力波形を分析することにより、再生制御弁１７の開口面積をある程度最適な値に設定することができる。

関数発生器１３９は、第２操作装置１０のレバー操作信号１２４に応じて要求ポンプ流量を算出するものである。レバー操作信号１２４が入ってこない場合は、最低限の流量を油圧ポンプ１から出力するような特性となっている。これは、第２操作装置１０の操作レバーを入れたときの応答性を良くするし、また油圧ポンプ１の焼付きを防ぐためである。そして、レバー操作信号１２４が増加すると、それに応じて油圧ポンプ１の吐出流量を増加させ、アームシリンダ８に流入する圧油を増やす。このことにより、操作量に応じたアームシリンダ速度を実現する。

減算器１４４は、積算器１４２から出力されたポンプ低減流量と関数発生器１３９で算出された要求ポンプ流量とが入力される。減算器１４４によって要求ポンプ流量からポンプ低減流量、すなわち再生流量が引かれることにより、ポンプ出力が抑えられ、燃費を低減することができる。

出力変換部１５１には、積算器１４０、及び減算器１４４からの出力が入力され、それぞれ電磁比例弁２２への電磁弁指令２２２及び油圧ポンプ１への傾転指令２０１として出力される。
このことにより、電磁比例弁２２は制御され、電磁比例弁２２から出力された駆動圧により所望の開口面積に再生制御弁１７が制御される。また、傾転指令２０１におより、油圧ポンプ１が所望の傾転に制御され、再生流量分を提言したポンプ流量を吐出する。

次に、コントローラ２７の操作について説明する。
レバー操作信号１２３は関数発生器１３４に入力され、レバー操作信号１２３に比例した信号を出力する。関数発生器１３４の出力は関数発生器１４９から出力し出力調整部１５２を介した信号と共に積算器１５０に入力される。積算器１５０の出力は出力変換部１５１を介して電磁弁指令１２８として電磁比例弁２８に出力される。
負荷圧が低い場合、関数発生器１４９は１を出力するため、連通昇圧弁１６はレバー操作信号１２３に比例した開口面積となる。負荷圧が高くなるにつれて、関数発生器１４９の出力は１より小さくなるため、連通昇圧弁１６の開口が絞られ、負荷圧がオーバーロードリリーフ設定圧に近づいて関数発生器１４９が０を出力したときに、連通昇圧弁１６は閉じられる。

減算器１６０からの差圧信号が入力されると、関数発生器１３１及び関数発生器１３３からそれぞれ、再生制御弁１７の再生側の開口面積信号とポンプ低減流量信号が出力される。そして、レバー操作信号１２３が入力されると、関数発生器１３４は積算器１３６、１３８にレバー操作量に応じた値を出力し、関数発生器１３１から出力される再生側開口面積信号及び関数発生器１３３から出力されるポンプ低減流量信号をそれぞれ補正する。

同様に、レバー操作信号１２４が入力されると、関数発生器１３５は積算器１４０、１４２にレバー操作量に応じた値を出力し、積算器１３６から出力される再生側開口面積信号及び積算器１３８から出力されるポンプ低減流量信号をそれぞれ補正する。

関数発生器１３９はレバー操作信号１２４に応じた油圧ポンプ１の要求ポンプ流量を出力し、減算器１４４に送る。減算器１４４では、要求ポンプ流量からポンプ低減流量、すなわち再生流量を引いた信号を出力変換部１５１へ出力する。

出力変換部１５１には積算器１４及び減算器１４４からの信号が入力され、それぞれ電磁比例弁２２への電磁弁指令２２２、及び油圧ポンプ１への傾転指令２０１として出力される。このことにより、電磁比例弁２２は制御され、電磁比例弁２２から出力された駆動圧により所望の開口面積に再生制御弁１７が制御される。また、傾転指令２０１により、油圧ポンプ１が所望の傾転に制御され、再生流量分を提言したポンプ流量を吐出する。

以上の動作により、負荷圧とブーム下げ操作量であるレバー操作信号１２３に応じて連通昇圧弁１６の開口面積を調整可能なため、より細かい制御が可能となり、良好な操作性を確保できる。また、負荷圧が急激に上昇した場合であっても、電磁比例弁２８からの制御量は適度な遅れをもって出力されるので、連通昇圧弁１６の急激な切換えは抑制される。さらに、再生制御弁１７、油圧ポンプ１を差圧及びレバー操作量に応じて制御することにより、燃費低減が可能であると共に、良好な操作性を確保できる。

上述した本発明の作業機械の圧油エネルギ回生装置の第１の実施の形態によれば、ブームシリンダ４に高負荷が作用した場合であっても、オーバーロードリリーフ設定圧に達する事を防ぐと共に、切換ショックを抑制し良好な操作性を確保することができる。

また、本発明の作業機械の圧油エネルギ回生装置の第１の実施の形態によれば、ブームシリンダ４のボトム圧とロッド圧から負荷圧を算出して、この負荷圧を基にオーバーロード設定圧に対する連通昇圧弁１６の開度補正を行うのでより細かい制御が可能になる。さらに、ブーム下げ操作量であるレバー操作信号１２３に応じて連通昇圧弁１６の開口面積を調整可能となるので、より細かい制御が可能になり、良好な操作性を確保できる。

なお、本実施の形態においては、ロッド圧信号とボトム圧信号から負荷圧を演算し、この負荷圧を関数発生器１４９に入力させるように構成したが、ロッド圧信号は必ず制御に用いる必要はなく、例えば、負荷圧に替えてボトム圧信号１２５の出力を関数発生器１４９に入力するように構成しても良い。

以下、本発明の作業機械の圧油エネルギ回生装置の第２の実施の形態を図面を用いて説明する。図８は本発明の作業機械の圧油エネルギ回生装置の第２の実施の形態を構成するコントローラのブロック図、図９は本発明の作業機械の圧油エネルギ回生装置の第２の実施の形態を構成するコントローラの入力部を説明するブロック図、図１０は本発明の作業機械の圧油エネルギ回生装置の第２の実施の形態を構成するコントローラの入力変換部の特性を示す特性図である。図８乃至１０において、図１乃至図７に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

本発明の作業機械の圧油エネルギ回生装置の第２の実施の形態においては、図８に示すようにコントローラ２７内に異常判定部１５３を備えた点が第１の実施の形態と異なる。具体的には、関数発生器１４９と出力調整部１５２の間に積算器１５４を設け、積算器１５４の一端側に異常判定部の出力信号を入力し、積算器１５４の他端側に関数発生器１４９の出力信号を入力し、積算器１５４の出力信号を出力調整部１５２に入力させている。

第１の実施の形態においては、ボトム圧信号１２５、ロッド圧信号１２９、レバー操作信号１２３の各検出信号を基に、連通昇圧弁１６の開口面積を制御しているが、これらの信号を検出する圧力センサ２３、２５、２９のいずれかが故障した場合には、連通昇圧弁１６を適切に制御できなくなる虞がある。

例えば、圧力センサ２５に異常が発生しブームシリンダ４のボトム圧を実際よりも低い値で出力した場合を想定する。この状態で、負荷圧が高くなりオーバーロードリリーフ設定圧に近づいた場合、ボトム圧信号１２５は実際より低い値が出力されるため、連通昇圧弁１６が閉じられず、最悪の場合、オーバーロードリリーフ弁１２から圧油が流れ、ブームシリンダ４が不用意に落下することになる。

本実施の形態においては、このような事象の発生を防止するため、各圧力センサに異常が発生した場合に、異常を判定し、連通昇圧弁１６を適切に閉じる制御を行う。異常判定部１５３が各圧力センサの異常を判定する方法について以下に説明する。

図９はコントローラ２７の入力部を説明するブロック図である。コントローラ２７は、各圧力センサからの電気信号を入力し、圧力信号に変換する入力変換部１６２を備えている。入力変換部１６２が変換したロッド圧信号１２９、ボトム圧信号１２５、レバー操作信号１２３は、制御ロジックの演算に用いられる。なお、入力判定部１６２には図示していない他の圧力信号も入力されるが、ここでは省略する。

入力変換部１６２の機能について図１０を用いて説明する。図１０において、横軸は入力変換部１６２に入力される電気信号である電圧を示し、縦軸は変換した圧力信号を示している。Ｐｍｉｎは圧力センサの仕様で決まる計測可能な最小圧力を示し、Ｐｍａｘは圧力センサの仕様で決まる計測可能な最大圧力を示す。ＥｍｉｎとＥｍａｘは、それぞれＰｍｉｎとＰｍａｘのときの電圧値である。Ｅｍｉｎは、最小電圧である０Ｖよりも大きい値で、Ｅｍａｘは最大電圧である５Ｖよりも小さい値となっている。すなわち、圧力センサが正常に動作しているときは、各圧力センサから出力される電圧値は、ＥｍｉｎからＥｍａｘの間となる。

異常判定部１５３には、各圧力信号１２９、１２５、１２３から出力される電気信号が入力される。ここで、圧力センサのハーネスが断線、もしくはショートすると、圧力センサからコントローラ２７に入力される電気信号は、断線の場合には０Ｖ、ショートした場合は５Ｖ近辺となる。そこで、異常判定部１５３では、それぞれの圧力センサの電気信号を監視し、いずれかの電気信号がＥｍｉｎまたはＥｍａｘを外れ、０Ｖまたは５Ｖに近い値を検知すると異常と判定する。

図８に戻り、異常判定部１５３では、正常と判断すると１を、異常と判断すると０を積算器１５４に送る。正常と判断されると１を出力するため、関数発生器１４９の出力がそのまま積算器１５４から出力される。異常と判断されると０が積算器１５４に入力されさらに積算器１５０からも０が出力されるため、最終的には連通昇圧弁１６は閉じるように制御される。

すなわち、異常判定部１５３が各圧力センサのいずれか１つが異常と判定すると、０の信号を出力し、負荷圧、レバー操作量に関係なく連通昇圧弁１６を閉じる制御を行う。

なお、異常判定部１５３の出力はＯＮ／ＯＦＦ的であるため、遅れを持たせる出力調整部１５２の手前に接続するように構成している。このため、異常判定部１５３が異常状態と判定した場合には、連通昇圧弁１６の開度を時間の経過と共に緩やかに減少させるように動作する。しかし、出力調整部１５２の遅れだけではショックがある場合には、さらに信号に遅れをもたせるための第２の出力調整部を以上判定部１５３と積算器１５４の間に設けても良い。

上述した本発明の作業機械の圧油エネルギ回生装置の第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

また、上述した本発明の作業機械の圧油エネルギ回生装置の第２の実施の形態によれば、各圧力センサに異常が発生した場合であっても、連通昇圧弁１６を適切に閉じてオーバーロードリリーフ設定圧に達することを防ぐと共に、切換えのショックが無い、良好な操作性を確保することができる。

以下、本発明の作業機械の圧油エネルギ回生装置の第３の実施の形態を図面を用いて説明する。図１１は本発明の作業機械の圧油エネルギ回生装置の第３の実施の形態を示す概略図である。図１１において、図１乃至図１０に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

本発明の作業機械の圧油エネルギ回生装置の第３の実施の形態においては、図１１に示すように、連通管路１４と並列に配置されボトム側管路１５及びロッド側管路１３とを接続する第２連通昇圧通路としての第２連通管路１４Ａが設けられた点と、第２連通管路１４Ａに配置されブーム下げ操作時にボトム側管路１５から流れ込んだ戻り油をロッド側管路１３に再生するための第２連通昇圧弁としての制御弁３０が設けられた点が第１の実施の形態と異なる。

図１１において、ブーム下げ操作が行われると、制御弁３０にパイロット圧Ｐｄが作用する。このことにより、ブームシリンダ４のボトム側から排出された戻り油は、ボトム側管路１５を通り制御弁３０に流入し絞り制御をされた後ロッド側管路１３を経て連通昇圧弁１６の再生流量と合流してブームシリンダ４のロッド側に再生する。

このような構成としたので、本実施の形態によれば、電磁比例弁２８に異常が発生し連通昇圧弁１６を不用意に閉じた場合であっても、制御弁３０の通路から圧油がロッド側に流れるため、急激な圧力変化を抑えられる。このことにより、ショックの低減及び負圧によるキャビテーションの発生を低減できる。

上述した本発明の作業機械の圧油エネルギ回生装置の第３の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

また、上述した本発明の作業機械の圧油エネルギ回生装置の第３の実施の形態によれば、連通昇圧弁１６とは別の再生通路を設けたので、電気的な故障により連通昇圧弁１６が不用意に閉じた場合でも、ショックの低減、及びキャビテーションの防止を図ることができる。

以下、本発明の作業機械の圧油エネルギ回生装置の第４の実施の形態を図面を用いて説明する。図１２は本発明の作業機械の圧油エネルギ回生装置の第４の実施の形態を示す概略図である。図１２において、図１乃至図１１に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

本発明の作業機械の圧油エネルギ回生装置の第４の実施の形態においては、図１２に示すように連通管路上に制御弁３１を設けた点が第１の実施の形態と異なる。

図１２において、ブーム下げ操作が行われると、制御弁３１にパイロット圧Ｐｄが作用する。このことにより、ブームシリンダ４のボトム側から排出された戻り油は、ボトム側管路１５を通り制御弁３１に流入し絞り制御された後連通昇圧弁１６に繋がる構成となっている。

このような構成としたので、本実施の形態によれば、連通昇圧弁１６がスティックして開いた状態で動作不能となったとしても、操作レバー６を戻す方向に操作することで、パイロット圧Ｐｄを低下させれば、制御弁３１の再生通路が絞られるため、昇圧を抑制することができる。このため、ブームシリンダ４に高負荷が作用しオーバーロードリリーフ設定圧付近になると共に、連通昇圧弁１６が動かなくなったとしても、制御弁３１により再生通路を絞ることができるので、昇圧を抑制し不用意にオーバーロードリリーフ設定圧に達することを防止できる。

上述した本発明の作業機械の圧油エネルギ回生装置の第４の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

上述した本発明の作業機械の圧油エネルギ回生装置の第４の実施の形態によれば、連通昇圧弁１６の上流に別の再生絞りを設けたので、連通昇圧弁１６が不用意に開いたままで動かなくなったとしても、昇圧を抑制しオーバーロードリリーフ設定圧に達することを防ぐことができる。

なお、電磁比例弁２８に入力される圧力がパイロット圧Ｐｄでなく例えばパイロットポンプ３の圧力であって、電磁比例弁２８で減圧するような構成の場合であっても、本実施の形態によれば、操作レバー６を戻す方向に操作することで、パイロット圧Ｐｄを低下させれば、制御弁３１の再生通路が絞られるため、昇圧を抑制することができる。すなわち、電気的な故障により連通昇圧弁１６が開ききりになったとしても、昇圧を抑制しオーバーロードリリーフ設定圧に達することを防止できる。

以下、本発明の作業機械の圧油エネルギ回生装置の第５の実施の形態を図面を用いて説明する。図１３は本発明の作業機械の圧油エネルギ回生装置の第５の実施の形態を示す概略図である。図１３において、図１乃至図１２に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

本発明の作業機械の圧油エネルギ回生装置の第５の実施の形態においては、図１３に示すように回生制御弁１７’に接続されている再生先が油圧エネルギを電気エネルギに変換する回生装置となっている点が第１の実施の形態と異なる。

図１３において、回生制御弁１７’の一方の出口ポートに一端側が接続された回生管路１８’の他端側には、ブームシリンダ４の圧油によって駆動される回生用油圧モータ３２が接続されている。回生装置は、回生用油圧モータ３２と、回生用油圧モータ３２に機械的に連結されていて、油圧エネルギを電気エネルギに変換するための電動機３３と、電動機３３を制御するためのインバータ３４と、電気エネルギを蓄えるための蓄電装置３５とを備えている。

このような構成にすることにより、ブームシリンダ４から排出された戻り油を、回生制御弁１７’を介して回生用油圧モータ３２に送ることにより、油圧エネルギを電気エネルギとして蓄電装置３５に蓄えることができる。

また、連通昇圧弁１６によりブームシリンダ４の戻り油を昇圧することにより、低圧・大流量の圧油エネルギを高圧・小流量の油圧エネルギに変換することができ、その結果、大流量を回生する必要がなくなることから、回生装置の大型化を防ぎ、効率よくエネルギを回生することができる。

さらに、ブームシリンダ４の負荷圧が上昇し、オーバーロードリリーフ設定圧に近づいた場合であっても、負荷圧に応じて連通昇圧弁１６の開度を調整することにより、オーバーロードリリーフ設定圧に達することを防ぐと共に、急激な圧力変動を抑えた良好な操作性を確保することができる。

上述した本発明の作業機械の圧油エネルギ回生装置の第５の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

上述した本発明の作業機械の圧油エネルギ回生装置の第５の実施の形態によれば、電動機を用いた回生装置において回収効率を高めるため、ボトム圧を昇圧した場合であっても、オーバーロードリリーフ設定圧に達することを防ぐと共に、再生通路を閉じるときに生じる急激な圧力変動を抑えた、良好な操作性を確保することができる。

以下、本発明の作業機械の圧油エネルギ回生装置の第６の実施の形態を図面を用いて説明する。図１４は本発明の作業機械の圧油エネルギ回生装置の第６の実施の形態を示す概略図である。図１４において、図１乃至図１３に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

本発明の作業機械の圧油エネルギ回生装置の第６の実施の形態においては、図１４に示すように回生制御弁１７’に接続されている再生先が油圧エネルギを蓄えるためのアキュムレータ３６となっている点が第１の実施の形態と異なる。図１４において、回生制御弁１７’の一方の出口ポートに一端側が接続された回生管路１８’の他端側には、アキュムレータ３６が接続されている。

このような構成にすることにより、ブームシリンダ４から排出された戻り油を、回生制御弁１７’を介してアキュムレータ３６に蓄えることができる。また、アキュムレータ３６の特性上、戻り油を蓄えるためには、ボトム圧をアキュムレータ３６の入口圧よりも高める必要があるが、連通昇圧弁１６によりブームシリンダ４の戻り油を昇圧することができるため、回収効率を高めることができる。

また、ブームシリンダ４の負荷圧が上昇し、オーバーロードリリーフ設定圧に近づいた場合であっても、負荷圧に応じて連通昇圧弁１６の開度を調整することにより、オーバーロードリリーフ設定圧に達することを防ぐと共に、急激な圧力変動を抑えた良好な操作性を確保することができる。

上述した本発明の作業機械の圧油エネルギ回生装置の第６の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

上述した本発明の作業機械の圧油エネルギ回生装置の第６の実施の形態によれば、アキュムレータ３６を用いた回生装置において回収効率を高めるため、ボトム圧を昇圧した場合であっても、オーバーロードリリーフ設定圧に達することを防ぐと共に、再生通路を閉じるときに生じる急激な圧力変動を抑えた、良好な操作性を確保することができる。

１：油圧ポンプ、３：パイロットポンプ、４：ブームシリンダ、５：制御弁、６：第１操作装置、６ａ：操作レバー、６ｂ：パイロット弁、８：アームシリンダ、９：制御弁、１０：第１操作装置、１０ａ：操作レバー、１０ｂ：パイロット弁、７ａ，１１ａ：圧油供給管路、７ｂ，１１ｂ：タンク管路、１２：メイクアップ付きオーバーロードリリーフバルブ、１３：ロッド側管路、１４：連通管路、１４Ａ：第２連通管路（第２連通昇圧通路）、１５：ボトム側管路、１６：連通昇圧弁、１７：再生制御弁、１７’：回生制御弁、１８：再生管路、１８’：回生管路、１９：メイクアップ付きオーバーロードリリーフバルブ、２０：ボトム側管路、２１：ロッド側管路、２２：電磁比例弁、２３、２４、２５、２６、２９：圧力センサ、２７：コントローラ、２８：電磁比例弁、３０：制御弁（第２連通昇圧弁）、３１：制御弁、３２：回生用油圧モータ、３３：電動機、３４：インバータ、３５：蓄電装置、３６：アキュムレータ、１２３：レバー操作信号、１２４：レバー操作信号、１２５：ボトム圧信号、１２６：ポンプ圧信号、１２８：電磁弁指令、１２９：ロッド圧信号、１３１：関数発生器、１３３：関数発生器、１３４：関数発生器、１３５：関数発生器、１３６：積算器、１３８：積算器、１３９：関数発生器、１４０：積算器、１４２：積算器、１４４：減算器、１４８：ゲイン発生器、１４９：関数発生器、１５０：積算器、１５１：出力変換部、１５２：出力調整部、１５２：異常判定部、１５４：積算器、１６０：減算器、１６１：減算器、１６２：入力変換部、２０３：フロント作業機、２０５：ブーム、２０６：アーム、２０７：バケット、２０１：傾転指令、２２２：電磁弁指令

Claims (8)

1. 被駆動体を駆動または前記被駆動体の自重落下時に収縮する油圧シリンダと、
   前記被駆動体の自重落下時に前記油圧シリンダの排出側と吸入側とを連通することにより、排出側の圧油の圧力を昇圧することが可能な連通昇圧通路と、
   前記連通昇圧通路に配置され前記連通昇圧通路の圧力または流量もしくはその両方を調整可能な連通昇圧弁と、
   前記被駆動体の自重落下時に、前記油圧シリンダから排出される圧油を再生可能な再生側管路及び再生制御弁、または前記油圧シリンダから排出される圧油を電気エネルギとして回生可能な回生側管路及び回生制御弁と、
   前記油圧シリンダの排出側の圧力を検出可能な第１圧力検出器と、
   前記被駆動体を自重落下させるための操作装置と、
   前記操作装置の操作量を検出する操作量検出器と、
   前記第１圧力検出器が検出した前記油圧シリンダの排出側の圧力信号と、前記操作量検出器が検出した前記操作装置の操作量信号とが入力され、前記連通昇圧弁を制御可能な制御装置とを備えた作業機械の圧油エネルギ回生装置において、
   前記制御装置は、前記第１圧力検出器が検出した前記油圧シリンダの排出側の圧力が予め定めた高負荷設定圧に達した場合、達した直後は前記圧力の増加に応じて前記連通昇圧弁の開度を減少させ、時間の経過と共に前記連通昇圧弁の開度を緩やかに減少させる
   ことを特徴とする作業機械の圧油エネルギ回生装置。
2. 請求項１に記載の作業機械の圧油エネルギ回生装置において、
   前記油圧シリンダの吸入側の圧力を検出可能な第２圧力検出器を備え、
   前記制御装置は、前記第２圧力検出器が検出した前記油圧シリンダの吸入側の圧力信号を入力し、前記連通昇圧弁を前記油圧シリンダの吸入側の圧力信号に応じて制御する
   ことを特徴とする作業機械の圧油エネルギ回生装置。
3. 請求項２に記載の作業機械の圧油エネルギ回生装置において、
   前記制御装置は、前記第１圧力検出器と前記第２圧力検出器と前記操作量検出器のうち、少なくともいずれか１つが故障したときに、異常状態であるという異常判定を行う異常判定部を更に備え、
   前記制御装置は、前記異常判定部が異常状態と判定した場合に、前記連通昇圧弁の開度を時間の経過と共に緩やかに減少させる
   ことを特徴とする作業機械の圧油エネルギ回生装置。
4. 請求項１に記載の作業機械の圧油エネルギ回生装置において、
   前記連通昇圧通路と並列に配置され、前記被駆動体の自重落下時に前記油圧シリンダの排出側と吸入側とを連通させる第２連通昇圧通路と、前記第２連通昇圧通路に配置され、前記第２連通昇圧通路の圧力または流量もしくはその両方を調整可能な第２連通昇圧弁を更に備え、
   前記操作装置は油圧パイロット式に構成され、
   前記第２連通昇圧弁は前記操作装置の操作量に応じて、開度が調整される
   ことを特徴とする作業機械の圧油エネルギ回生装置。
5. 請求項１に記載の作業機械の圧油エネルギ回生装置において、
   前記連通昇圧通路に前記連通昇圧弁とは直列の関係に配置され、前記連通昇圧通路の圧力または流量もしくはその両方を調整可能な第３連通昇圧弁を更に備え、
   前記操作装置は油圧パイロット式に構成され、
   前記第３連通昇圧弁は前記操作装置の操作量に応じて、開度が調整される
   ことを特徴とする作業機械の圧油エネルギ回生装置。
6. 請求項１に記載の作業機械の圧油エネルギ回生装置において、
   前記油圧シリンダとは別の油圧アクチュエータと、前記油圧アクチュエータに圧油を供給する油圧ポンプとを更に備え、
   前記再生側管路と再生制御弁は、前記被駆動体の自重落下時に排出される圧油を前記油圧アクチュエータと前記油圧ポンプの間に再生させるものである
   ことを特徴とする作業機械の圧油エネルギ回生装置。
7. 請求項１に記載の作業機械の圧油エネルギ回生装置において、
   前記被駆動体の自重落下時に前記油圧シリンダから排出される圧油は、前記回生側管路及び回生制御弁を介して、油圧モータへ供給される
   ことを特徴とする作業機械の圧油エネルギ回生装置。
8. 請求項１に記載の作業機械の圧油エネルギ回生装置において、
   前記被駆動体の自重落下時に前記油圧シリンダから排出される圧油は、前記回生側管路及び回生制御弁を介して、アキュムレータへ供給される
   ことを特徴とする作業機械の圧油エネルギ回生装置。

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