JP7242330B2 - アタッチメント内発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、アタッチメント内発電装置に関し、例えば、建設機械の解体用アタッチメント等において、従来活用されていなかった余剰エネルギを利用することにより、発電する装置に関する。

従来、例えば、建設機械の解体用アタッチメントでは、破砕機の旋回機構を旋回させ、或いは破砕機のアームを開閉させるために油圧エネルギが用いられ、この油圧回路の電磁弁等を駆動するために必要とされる等の電力は、アタッチメントが取付けられるショベルカー等に備えるバッテリ等から供給されている。それ故、例えば、旋回機構を持つアタッチメントにおいて、ブラケットの旋回動作（従来、解体等のため以外は活用されていなかった）による回転のエネルギや、旋回機構を持たないアタッチメントでは、アタッチメントの振動（従来活用されていなかった）のエネルギは、発電等のため利用されることなく放出されていた。

一方、例えば、特許文献１には、解体後に解体ガラとして生じた鉄クズ等を磁石により吸着して搬出するためのアタッチメントにおいて、その電磁石に用いるために発電機構を有する装置が提案されている。即ち、建設機械に破砕爪等のアタッチメントを装着してコンクリート壁等を破砕していく解体工事において、破砕したコンクリート内に含まれる鉄筋や鉄骨等（金属分）を分離した後、コンクリート、ガラス、プラスチック及び木材等を分別するために、予めコンクリートから金属分を吸着して取り除けるように、電磁石等の励磁手段を備えたアタッチメントが開発され、提案されている。

また、特許文献２には、建設機械の油圧回路に発電機を設けた発電装置が開示されている。即ち、この特許文献２記載の発電装置では、戻り油の上昇した圧力を駆動圧として発電機を回転させ、前記発電機により発電する電流を前記バッテリに蓄電できるので、前記戻り油の上昇圧力エネルギを建設機械の消費する電力の一部に有効利用することができる。

更に、特許文献３には、建設機械における振動発電装置が記載されている。この従来例では、クローラ型建設機械における車体の振動を利用して発電し、従来は無駄に捨てていた振動エネルギを電力として回収することにより省エネ効果を奏するものである。

また、特許文献４には、振動杭打抜機の振動を利用して発電するようにした振動杭打抜機が開示されている。即ち、振動杭打抜機は激しく振動するので通常の発電機を設置することが容易でない一方、振動杭打抜機は良質の振動が豊富であることに着目して、発電機能を備えた振動杭打抜機を提案している。

特開２００３－１８２９６８号公報 特開平１１－１０７３１１号公報 特開２００８－２０２２５３号公報 特開２０１４－８０８３７号公報

近年、我が国における人口減少・少子化の傾向等から、特に建設・解体作業等の分野での人手不足が大きくクローズアップされている一方、熟練の作業者の技能を若手作業員に継承させる困難性も指摘されている。同じような問題意識から医療・介護等の分野でもロボット化・ＡＩ（人工知能）化のための技術開発が進められている。このような状況下、建設機械の解体用アタッチメントにおいても、従来活用されていなかった余剰エネルギを有効利用するのみならず、解体機構や付属装置の作動エネルギのハイブリッド化の必要性も認識され始めている。しかしながら、特に、建設機械に装着して用いられる破砕機等の解体用アタッチメントにおいて、従来活用されていなかった余剰エネルギを利用することにより、解体機構や付属装置の作動エネルギのハイブリッド化を図れる上に、熟練者でなくても解体用アタッチメントの操作を容易にするようなロボット化・ＡＩ（人工知能）化のための提案は、殆どなされていなかった。

本発明は、上記のような課題に鑑みなされたものであり、その第１の目的は、建設機械に装着して用いられる破砕機等の解体用アタッチメントにおいて、従来活用されていなかった余剰エネルギを利用することにより、解体機構や付属装置の作動エネルギのハイブリッド化を図ることにある。

また、本発明の第２の目的は、建設機械の解体用アタッチメント内に発電装置を設けることにより、熟練者でなくても解体用アタッチメントの操作を容易にするためのロボット化・ＡＩ化に資するための技術を提供することにある。

かかる課題を解決するために、本発明者は、建設機械の解体用アタッチメントにおいて、余剰エネルギを利用することで解体機構や付属装置の作動エネルギのハイブリッド化を図るための具体的構成について鋭意研究した結果、ブラケットの旋回機構を持つ建設機械のアタッチメントでは、ブラケットの旋回動作を利用して発電することを見出した。この構成では、従来活用されていなかった余剰エネルギを利用することにより、解体機構や付属装置の作動エネルギのハイブリッド化が図れる。また、上記構成により安定したエネルギの利用が行えるので、このエネルギを建設機械やアタッチメント内に搭載するコンピュータの電源として利用することで、解体用アタッチメントのロボット化・ＡＩ化に資することができる。

即ち、上記第１及び第２の目的達成のため、本発明のアタッチメント内発電装置は、ブラケットの旋回機構を持つ建設機械のアタッチメントであって、前記ブラケットの旋回機構を旋回させることで前記アタッチメントの一対のアームの向きを変え、且つ前記建設機械からの油圧供給路を介して供給される油圧エネルギを用いて前記一対のアームを相互に開閉させる機能を奏する建設機械のアタッチメントにおいて、前記ブラケット内部には、油圧モータが搭載されており、前記油圧モータが駆動されると、前記油圧モータの出力軸の回転はピニオンギアを含む前記旋回機構を介して前記ブラケットを旋回動作させるように構成され、前記油圧モータの出力軸に接続されており、前記油圧モータを駆動して前記ブラケットの旋回動作を行う際に、同時に発電することを特徴とする。また、前記発電装置は、前記油圧モータの出力軸に磁石を取り付け、前記磁石の周囲に一対のコイルを設置し、前記油圧モータの出力軸の回転により前記磁石が回転することで前記磁石のＮ極とＳ極が連続的に変化することで前記コイル内部の磁界が変化してリード線を介して電流が流れるように構成されているようにしても良い。更に、ブラケットの旋回機構を持つ建設機械のアタッチメントであって、前記ブラケット内部には油圧モータが搭載されており、前記建設機械からの油圧供給路を介して供給される油圧エネルギを用いて前記油圧モータが駆動されることにより前記アタッチメントの一対のアームを相互に開閉させ、或いは前記ブラケットの旋回機構を旋回させる建設機械のアタッチメントにおいて、前記旋回機構における前記油圧モータの油圧配管以外の部分に前記油圧モータとは別個に設けられた発電装置を有し、前記発電装置は、前記油圧モータを駆動して前記ブラケットの旋回動作を行う際に当該旋回動作を利用して発電することも可能である。

本発明によれば、建設機械に装着して用いられる破砕機等の解体用アタッチメントにおいて、従来活用されていなかった余剰エネルギを利用することにより、解体機構や付属装置の作動エネルギのハイブリッド化を図ることが可能である。また、建設機械の解体用アタッチメント内に発電装置を設けることにより、熟練者でなくても解体用アタッチメントの操作を容易にするためのロボット化・ＡＩ化に資することも可能である。

本発明の諸実施形態に係る解体用アタッチメントを、その解体用アタッチメントが装着される建設機械と共に示す概略図である。 本発明の第１の実施形態に係るアタッチメント内発電装置（ブラケットの旋回動作を利用して発電する装置）の概略図である。 図２に示した発電装置における発電の原理図である。 図２に示した発電装置に接続されるバッテリ、無線送受信機、センサ及び電磁弁等の配置構成を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係るアタッチメント内発電装置が適用される旋回機構を持たないアタッチメントの一例を示す概略図である。 本発明の第２の実施形態に係るアタッチメント内発電装置における振動発電の原理図である。 本発明の第３の実施形態に係るアタッチメント内発電装置（作動油と周辺大気の温度差を利用する）が適用されるアタッチメントを、そのアタッチメントが装着される建設機械と共に示す概略図である。 本発明の第３の実施形態に係るアタッチメント内発電装置における熱電発電の原理図である。 本発明の第３の実施形態において、バッテリに蓄えた電力により、センサ等を稼働させ、アタッチメントの稼働状況のデータを取得する構成を示す図である。 上述した第１乃至第３の実施形態において、ロボット化・ＡＩ化に資するための各種センサと、そのセンシング情報のフィードバックの流れを示す機能ブロック図である。

まず、本発明の第１の実施形態について述べる。本発明の第１の実施形態は、建設機械（油圧ショベル）の解体用アタッチメントの内部に発電機を搭載し、油圧ショベルから電源供給を受けることなく、アタッチメント内の電子機器を作動させることを目的とする実施形態である。図１は、本実施形態に係る解体用アタッチメントを、その解体用アタッチメントが装着される建設機械と共に示す概略図、図２は、本実施形態に係るアタッチメント内発電装置（ブラケットの旋回動作を利用して発電する装置）の概略図である。図１に示すように、本実施形態の解体用アタッチメントは、建設機械としてのショベルカー５０に装着されて用いられる破砕機１００であり、そのブラケット１０２の旋回機構１０４等を旋回させることで破砕機１００のアーム１０６Ａ、１０６Ｂの向きを変え、また図示しない油圧回路を含めた油圧供給路を介して供給される油圧エネルギを用いてアーム１０６Ａ、１０６Ｂを相互に開閉させる機能を有し、これら機能を奏することにより公知の態様でコンクリート構築物等を解体することが可能である。上記油圧回路の電磁弁等を駆動するために必要とされる等の電力は、アタッチメントとしての破砕機１００が取付けられるショベルカー５０に備える図示しないバッテリ等から供給されている。しかしながら、本実施形態の解体用アタッチメント（破砕機）１００では、ブラケット１０２の旋回機構１０４を介した旋回動作（従来、解体等のため以外は活用されていなかった）による回転のエネルギを発電等のため利用するようにしている。

即ち、図２に示すように、旋回機構１０４を持つ解体用アタッチメント（破砕機）１００（図１参照）のブラケット１０２内部には、油圧モータ１１２が搭載されており、この油圧モータ１１２が駆動されると、その出力軸１１２ａの回転はピニオンギア１１４を含む旋回機構１０４を介してブラケット１０２を旋回動作させる。本実施形態の解体用アタッチメント（破砕機）１００（図１参照）では、油圧モータ１１２の出力軸１１２ａに発電装置１１０を接続しており、油圧モータ１１２を駆動してブラケット１０２の旋回動作を行う際に、同時に発電するようにしている。図３は、図２に示した発電装置１１０における発電の原理図である。発電装置１１０は、例えば、図３に示すように、油圧モータ１１２（図２参照）の出力軸１１２ａに磁石１１６を取り付け、その周囲に一対のコイル１１８Ａ、１１８Ｂを設置している。油圧モータ１１２の出力軸１１２ａの回転により磁石１１６が回転することでそのＮ極とＳ極が連続的に変化することでコイル１１８Ａ、１１８Ｂ内部の磁界が変化し、同図に電球の点灯で示すように、リード線１２０に電流が流れる。尚、図３の例では、発電の原理の説明を簡略化するため、一対のコイル１１８Ａ、１１８Ｂのみを記載したが、実際は、使用する電力量との関係からも、複数対のコイルを設置するのが好適である。

図４は、図２に示した発電装置に接続されるバッテリ、無線送受信機、センサ及び電磁弁等の配置構成を示す図である。図４に示すように、解体用アタッチメント（破砕機）１００のブラケット１０２内部には、上述した油圧モータ１１２と発電装置１１０に加え、更に、発電装置１１０により発電した電力を一時的に蓄えておくバッテリ１２２と、旋回／開閉を切り替えるための電磁弁１２４と、電磁弁１２４を遠隔操作するための無線送受信機１２６と、各種データ収集を行うセンサ１２８を備えている。また、無線送受信機１２６は、センサ１２８によるデータ収集を遠隔操作するためにも用いられる。
以上の構成により、ブラケット１０２の旋回機構１０４を持つ建設機械５０（図１参照）のアタッチメント１００において、ブラケット１０２の旋回動作を利用して発電することを特徴とするアタッチメント内発電装置１１０が得られている。

次に、本発明の第２の実施形態について述べる。本発明の第２の実施形態は、ブラケット１０２の旋回機構を持たない建設機械６０のアタッチメント２００において、アタッチメント２００の振動を利用して発電することを特徴とする。図５は、本実施形態に係るアタッチメント内発電装置２１０が適用される旋回機構を持たないアタッチメントの一例を示す概略図である。図６は、本実施形態に係るアタッチメント内発電装置２１０における振動発電の原理図である。
図５に示すように、旋回機構（図１の１０４）を持たないアタッチメント２００では、旋回を切り替えるための電磁弁（図４の１２４）は不要であるが、上述したロボット化・ＡＩ化に資するために各種センサを搭載するためには、その電源が必要であり、そのためにアタッチメント２００の振動を利用して発電するアタッチメント２００内の発電装置２１０を構成した。この発電装置２１０について述べる。発電装置２１０は、図６に示すようにバネ２１２の先端に磁石２１６を取り付け、この磁石２１６に対向するコイル２１８を設置している。アタッチメント２００（図５参照）の振動により、バネ２１２の復元力に抗して磁石２１６がコイル２１８に接近・離反することを繰り返すことでコイル２１８内部の磁界が変化し、同図に電球の点灯で示すように、リード線２２０に電流が流れる。尚、図示は省略するが、本実施形態に係るアタッチメント２００においても、上述した第１の実施形態と同様に、解体用アタッチメント（破砕機）２００のブラケット２０２内部には、発電装置２１０により発電した電力を一時的に蓄えておくバッテリと、センサによるデータ収集を遠隔操作するための無線送受信機を備えている。
以上の構成により、ブラケット２０２の旋回機構を持たない建設機械６０のアタッチメント２００において、アタッチメント２００の振動を利用して発電することを特徴とするアタッチメント内発電装置２１０が得られている。

次に、本発明の第３の実施形態について述べる。本発明の第３の実施形態は、ブラケット３０２の旋回機構を持たない建設機械７０（建設機械本体は図示せず、そのアームの先端部のみ示す）のアタッチメント３００において、作動油と周辺大気の温度差を利用して発電することを特徴とする。図７は、本実施形態に係るアタッチメント内発電装置３１０（作動油と周辺大気の温度差を利用する）が適用されるアタッチメント３００を、そのアタッチメントが装着される建設機械７０の一部と共に示す概略図、図８は、本実施形態に係るアタッチメント内発電装置３１０における熱電発電の原理図である。
図７に示すように、旋回機構（図１の１０４）を持たないアタッチメント３００では、旋回を切り替えるための電磁弁（図４の１２４）は不要であるが、上述したロボット化・ＡＩ化に資するために各種センサを搭載するためには、その電源が必要であり、そのために油圧シリンダ３１２の作動油と周辺大気の温度差を利用して発電することを特徴とするアタッチメント内熱発電装置３１０を構成した。この熱発電装置３１０について述べる。熱発電装置３１０は、図７に示すように、油圧シリンダ３１２の作動油供給部３１２Ａに一面側（高温側）が接触し、他面側（低温側）は、周辺大気に触れるように設置されている。また、熱発電装置３１０は、図８に示すように、一面側（高温側）に高温側電極３１４が設けられ、この高温側電極３１４に、ｎ型半導体３１５ｎを挟んで低温側電極３１６ｎが、ｐ型半導体３１５ｐを挟んで低温側電極３１６ｐが設けられている。これら低温側電極３１６ｎ、３１６ｐは、周辺大気に触れるように設置されていることで、低温側として放熱するように構成されている。かかる構成により、作動油による高温側熱源３１８と、周辺大気３１９との温度差が生じることで、ｎ型半導体３１５ｎとｐ型半導体３１５ｐにより逆方向の電流が流れるので、同図に電球の点灯で示すように、リード線３２０に電流が流れる。以上の構成により、ブラケット３０２の旋回機構を持たない建設機械７０のアタッチメント３００において、アタッチメント３００のアームを開閉させるための油圧シリンダ３１２の作動油と周辺大気の温度差を利用して発電することを特徴とするアタッチメント内熱発電装置３１０が得られている。
また、本実施形態に係るアタッチメント内発電装置３１０では、このバッテリに蓄えた電力により、センサ等を稼働させ、アタッチメント３００の稼働状況のデータを取得するようにしている。図９は、本実施形態において、バッテリに蓄えた電力により、センサ等を稼働させ、アタッチメント３００の稼働状況のデータを取得する構成を示す図である。即ち、本実施形態に係るアタッチメント３００においても、図９に示すように、上述した第１の実施形態と同様に、解体用アタッチメント（破砕機）３００のブラケット３０２内部には、熱電発電装置３１０により発電した電力を一時的に蓄えておくバッテリ３２２と、アタッチメント３００の稼働状況のデータを送受信するための無線送受信機３２６を備えている。更に、本実施形態に係るアタッチメント内発電装置３１０では、このバッテリ３２２に蓄えた電力により稼働するセンサ３２８を備えており、このセンサ３２８の稼働により、アタッチメント３００の稼働状況のデータを取得するようにしている。

以上に述べた第１乃至第３の実施形態において、上述したロボット化・ＡＩ化に資するために各種センサ等を稼働させる。図１０は、上述した第１、第２及び第３の実施形態において、ロボット化・ＡＩ化に資するための各種センサと、そのセンシング情報のフィードバックの流れを示す機能ブロック図である。図１０に示すように、上述した第１、第２及び第３の実施形態において、ロボット化・ＡＩ化に資するための各種センサとしては、シリンダ長さ、旋回角度、傾き・加速度、作動油圧、作動油流量、作動油温度、その他を検出するセンサ群４００を有している。これらセンサ群４００は、上述したシリンダ長さ、旋回角度、傾き・加速度、作動油圧、作動油流量、作動油温度、その他を検出し、その検出信号を制御部４０２に送信する。一方、目標値４０１が制御部４０２には与えられており、制御部４０２は、この目標値４０１とセンサ群４００の検出値との比較を行い、その差分に応じて電磁弁４０３を操作することで作動油を制御することにより、解体用アタッチメント（破砕機）１００における上述したシリンダ長さ、旋回角度、傾き・加速度、作動油圧、作動油流量、作動油温度、その他のフィードバック制御を行う。

以上に述べたように、本発明によれば、建設機械に装着して用いられる破砕機等の解体用アタッチメントにおいて、従来活用されていなかった余剰エネルギを利用することにより、解体機構や付属装置の作動エネルギのハイブリッド化を図ることができる。また、建設機械の解体用アタッチメント内に発電装置を設けることにより、熟練者でなくても解体用アタッチメントの操作を容易にするためのロボット化・ＡＩ化に資するための技術を提供することが可能になる。

以上に述べた実施形態では、本発明を建設機械のアタッチメントとしての破砕機に適用したが、これに限られないのは、勿論である。本発明は、例えば、油圧ショベル等の建設機械のアタッチメントとして用いられる木材切断用カッター等にも適用することができる。

５０、６０、７０ 建設機械（ショベルカー）、
１００、２００、３００ （アタッチメント） 破砕機、
１０２、２０２、３０２ ブラケット、 １０４ 旋回機構、
１０６Ａ、１０６Ｂ アーム、 １１０、２１０、３１０ 発電装置、
１１２ 油圧モータ、１１２ａ 出力軸、１１４ ピニオンギア、
１１６、２１６ 磁石、 １１８Ａ、１１８Ｂ 一対のコイル、１２０ リード線、
１２２、３２２ バッテリ、１２４ 電磁弁、１２６、３２６ 無線送受信機、
１２８、３２８ センサ、 ２１２ バネ、 ２１８ コイル、
２２０、３２０ リード線、 ３１２ 油圧シリンダ、３１２Ａ 作動油供給部、
３１４ 高温側電極、３１５ｎ ｎ型半導体、３１６ｎ 低温側電極、
３１５ｐ ｐ型半導体、 ３１６ｐ 低温側電極、 ３１８ 高温側熱源、
３１９ 周辺大気、 ４００ センサ群、 ４０１ 目標値、４０２ 制御部、
４０３ 電磁弁、

Claims (3)

1. ブラケットの旋回機構を持つ建設機械のアタッチメントであって、前記ブラケットの旋回機構を旋回させることで前記アタッチメントの一対のアームの向きを変え、且つ前記建設機械からの油圧供給路を介して供給される油圧エネルギを用いて前記一対のアームを相互に開閉させる機能を奏する建設機械のアタッチメントにおいて、前記ブラケット内部には、油圧モータが搭載されており、前記油圧モータが駆動されると、前記油圧モータの出力軸の回転はピニオンギアを含む前記旋回機構を介して前記ブラケットを旋回動作させるように構成され、前記油圧モータの出力軸に接続されており、前記油圧モータを駆動して前記ブラケットの旋回動作を行う際に、同時に発電することを特徴とするアタッチメント内発電装置。
2. 請求項１に記載のアタッチメント内発電装置において、前記発電装置は、前記油圧モータの出力軸に磁石を取り付け、前記磁石の周囲に一対のコイルを設置し、前記油圧モータの出力軸の回転により前記磁石が回転することで前記磁石のＮ極とＳ極が連続的に変化することで前記コイル内部の磁界が変化してリード線を介して電流が流れるように構成されていることを特徴とするアタッチメント内発電装置。
3. ブラケットの旋回機構を持つ建設機械のアタッチメントであって、前記ブラケット内部には油圧モータが搭載されており、前記建設機械からの油圧供給路を介して供給される油圧エネルギを用いて前記油圧モータが駆動されることにより前記アタッチメントの一対のアームを相互に開閉させ、或いは前記ブラケットの旋回機構を旋回させる建設機械のアタッチメントにおいて、前記旋回機構における前記油圧モータの油圧配管以外の部分に前記油圧モータとは別個に設けられた発電装置を有し、前記発電装置は、前記油圧モータを駆動して前記ブラケットの旋回動作を行う際に当該旋回動作を利用して発電することを特徴とするアタッチメント内発電装置。

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