(57)【要約】【課題】負荷状況によらず操作に応じた油圧シリンダの伸縮動作を実現し良好な微操作性を確保することができる閉回路油圧駆動装置を提供する。【解決手段】油圧シリンダ１のヘッド室１ａに接続した管路１３，１５と、ロッド室１ｂに接続した管路１４，１６と、管路１３，１５及び１４，１６を介して油圧シリンダ１に閉回路状に接続した油圧ポンプ１２と、管路１５又は１６を作動油タンク２３に接続する排出管路３０と、排出管路３０を流れる作動油の流量を調整する流量制御弁２０と、油圧シリンダ１の動作を指示する操作レバー装置１０と、油圧シリンダ１の縮退時に油室１ａ，１ｂの受圧面積との比αを油圧ポンプ１２の吐出流量Ｑｐに乗じた流量αＱｐがロッド室１ｂに流入し流量Ｑｐがヘッド室１ａから吐出するように操作レバー装置１０の操作量に応じて流量制御弁２０を制御する制御装置５０とを備える。【選択図】  図２
2014095396.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動油タンクと、
油圧シリンダと、
この油圧シリンダのヘッド側油室に接続した第１管路と、
前記油圧シリンダのロッド側油室に接続した第２管路と、
これら第１管路及び第２管路を介して前記油圧シリンダに閉回路状に接続した油圧ポンプと、
前記第１管路又は第２管路を前記作動油タンクに接続する排出管路と、
この排出管路を流れる作動油の流量を調整する流量調整装置と、
前記油圧シリンダの動作を指示する操作装置と、
前記油圧シリンダの縮退時に、前記ロッド側油室及び前記ヘッド側油室の受圧面積の比を前記油圧ポンプの吐出流量に乗じた流量が前記ロッド側油室に流入し、前記油圧ポンプの吐出流量分の流量が前記ヘッド側油室から吐出するように、前記操作装置の操作量に応じて前記流量調整装置を制御する制御装置と
を備えたことを特徴とする閉回路油圧駆動装置。
【請求項２】
請求項１の閉回路油圧駆動装置において、前記第１管路及び第２管路の低圧側を前記排出管路に接続する選択接続装置を備えていることを特徴とする閉回路油圧駆動装置。
【請求項３】
請求項１の閉回路油圧駆動装置において、前記流量調整装置は、前記排出管路に設けた流量制御弁又は可変絞りであることを特徴とする閉回路油圧駆動装置。
【請求項４】
請求項１の閉回路油圧駆動装置において、前記流量調整装置は、前記排出管路に設けた可変容量油圧モータであることを特徴とする閉回路油圧駆動装置。
【請求項５】
請求項４の閉回路油圧駆動装置において、
前記可変容量油圧モータに接続した発電機と、
この発電機に接続した蓄電池と
を備えていることを特徴とする閉回路油圧駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、閉回路油圧駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、油圧ショベル等の建設機械の分野では燃料消費率低減のために、油圧シリンダの油圧回路の絞り要素を減らし、油圧ポンプと油圧シリンダとを閉回路状に接続する閉回路油圧駆動装置の開発が進められている（特許文献１等参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２１１０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、建設機械の作業装置には一般に片ロッド型の油圧シリンダが用いられるが、片ロッド型の油圧シリンダの場合、ロッド側油室（以下「ロッド室」）の方がヘッド側油室（以下「ヘッド室」）に比べて受圧面積が小さい。従って、油圧シリンダを縮める場合、ロッド室に供給される作動油量に対してヘッド室から排出される作動油量が多いため、閉回路中の作動油量に余剰分が生じる。そこで油圧シリンダの閉回路においては、油圧ポンプと油圧シリンダとを接続する管路に作動油タンクに接続する排出管路を接続し、作動油の余剰分を作動油タンクに排出するようにしてある。
【０００５】
しかし、油圧ポンプから吐出された作動油の作動油タンクに排出される流量の割合は、油圧シリンダの油室の圧力と排出管路の圧力の比で変化する。例えば作業装置を地面に押し付ける場合等、油圧シリンダに作用する負荷が大きい状態で油圧シリンダの縮退を指示した場合、油圧シリンダの油室の圧力が上記排出管路の圧力に対して著しく上昇し得る。このように油圧シリンダの油室の圧力が上昇した状態では、油圧ポンプから吐出された作動油の排出管路に流れる割合が大きくなって油圧シリンダに供給される作動油の割合が減少する。その結果、油圧シリンダの縮退速度は操作者が指示した速度に対して遅くなってしまう。このように負荷状況によって油圧シリンダに供給される作動油流量の割合が変化するため、微操作性を確保することが困難であった。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みなされたもので、負荷状況によらず操作に応じた油圧シリンダの伸縮動作を実現し良好な微操作性を確保することができる閉回路油圧駆動装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は、作動油タンクと、油圧シリンダと、この油圧シリンダのヘッド側油室に接続した第１管路と、前記油圧シリンダのロッド側油室に接続した第２管路と、これら第１管路及び第２管路を介して前記油圧シリンダに閉回路状に接続した油圧ポンプと、前記第１管路又は第２管路を前記作動油タンクに接続する排出管路と、この排出管路を流れる作動油の流量を調整する流量調整装置と、前記油圧シリンダの動作を指示する操作装置と、前記油圧シリンダの縮退時に、前記ロッド側油室の受圧面積と前記ヘッド側油室の受圧面積との比を前記油圧ポンプの吐出流量に乗じた流量が前記ロッド側油室に流入し、前記油圧ポンプの吐出流量分の流量が前記ヘッド側油室から吐出するように、前記操作装置の操作量に応じて前記流量調整装置を制御する制御装置とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、作動油タンクへ排出する余剰作動油の流量と圧力の制御により油圧片ロッドシリンダの動作速度を補償し、油圧片ロッドシリンダに作用する外力によらず良好な微操作性を低消費エネルギーで得られる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明に係る閉回路油圧駆動装置を適用する建設機械の側面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る閉回路油圧駆動装置の要部を抽出して表した油圧回路図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る閉回路油圧駆動装置に備えられた制御装置の要部の機能ブロック図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る閉回路油圧駆動装置に備えられた制御装置による制御手順の一例を示すフローチャートである。
【図５】図２に示した閉回路油圧駆動装置のブーム下げ（空中動作）時の状態を表す図である。
【図６】図２に示した閉回路油圧駆動装置のブーム下げ（バケット接地）時の状態を表す図である。
【図７】図２に示した閉回路油圧駆動装置のブーム上げ時の状態を表す図である。
【図８】本発明を適用しない場合のブーム下げ時（急動作時）のレバー操作量に対する回路内の圧力及び流量、シリンダ速度の挙動を例示した図である。
【図９】本発明を適用した場合のブーム下げ時（急動作時）のレバー操作量に対する回路内の圧力及び流量、シリンダ速度の挙動を例示した図である。
【図１０】本発明の第２の実施の形態に係る閉回路油圧駆動装置の要部を抽出して表した油圧回路図である。
【図１１】本発明の第３の実施の形態に係る閉回路油圧駆動装置の要部を抽出して表した油圧回路図である。
【図１２】本発明の第４の実施の形態に係る閉回路油圧駆動装置の要部を抽出して表した油圧回路図である。
【図１３】本発明の第５の実施の形態に係る閉回路油圧駆動装置の要部を抽出して表した油圧回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
従来、油圧ポンプの吐出側と片ロッドの油圧シリンダの流入側、及び油圧ポンプの吸入側と油圧シリンダの吐出側をそれぞれ接続した閉回路油圧駆動装置を備えた建設機械では、作業装置の油圧シリンダに作用する負荷（外力）が変動すると、油圧シリンダに流入する作動油と作動油タンクに排出される作動油の割合が変化するため、油圧シリンダに流入する作動油の割合の変化によって作業装置の微操作性が低下する問題がある。そこで本発明の実施の形態では、油圧シリンダの縮退動作時に閉回路から作動油タンクに排出される余剰の作動油の流量及び圧力を調整することにより、油圧シリンダに流入する作動油の流量を補償し、油圧シリンダの動作速度の変動を抑えることで油圧ショベルの良好な微操作性を確保する。このとき、好ましくは、油圧シリンダの流入側及び吐出側のうちの低圧側を選択的に作動油タンクに接続し、低圧側から作動油の余剰分を排出することで、低消費エネルギーに寄与する。
【００１１】
以下に図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
【００１２】
＜第１の実施の形態＞
図１は本発明に係る閉回路油圧駆動装置を適用する建設機械の側面図である。図１では建設機械の一例として油圧ショベルを例示してある。
【００１３】
（建設機械）
図１に例示した油圧ショベル１００は、クローラ式の走行装置を装備した走行体１０１と、キャブ１０３を備えた旋回体１０２とを備えている。旋回体１０２は旋回装置１０４を介して走行体１０１の上部に旋回可能に連結されている。旋回体１０２の前部には作業装置（フロント作業装置）６が設けられている。なお、本願明細書において「前方」とは、キャブ１０３に搭乗した操作者が向く方向（同図では右方向）のことをいう。
【００１４】
作業装置６は、ブーム２、アーム４及びバケット５を備えている。ブーム２は旋回体１０２に対して俯仰動可能に連結されていて、ブームシリンダ１により駆動する。ブームシリンダ１のロッド先端がブーム２に連結されていて、シリンダチューブの基端が旋回体１０２に連結されている。アーム４はブーム２の先端に俯仰動可能に連結されていて、アームシリンダ３により駆動する。アームシリンダ３のロッド先端がアーム４に連結されていて、シリンダチューブの基端がブーム２に連結されている。バケット５はアーム４の先端に俯仰動可能に連結されていて、バケットシリンダ（不図示）により駆動する。バケットシリンダのロッド先端がバケット５に連結されていて、シリンダチューブの基端がアーム４に連結されている。ブームシリンダ１、アームシリンダ３及びバケットシリンダはいずれも油圧片ロッドシリンダである。
【００１５】
旋回体１０２には、ブームシリンダ１、アームシリンダ３、バケットシリンダ等、油圧ショベル１００に搭載された油圧アクチュエータを駆動する閉回路油圧駆動装置１０５が備えられている。ブームシリンダ１、アームシリンダ３、バケットシリンダは、キャブ１０３内に設置された操作装置である操作レバー装置１０（図２参照）の操作に応じて閉回路油圧駆動装置１０５によって駆動される。ブームシリンダ１、アームシリンダ３及びバケットシリンダの動作方向及び動作速度は、操作レバー装置１０のレバーの操作方向及び操作量によって指示される。
【００１６】
（閉回路油圧駆動装置）
図２は本発明の第１の実施の形態に係る閉回路油圧駆動装置の要部を抽出して表した油圧回路図である。なお、図２ではブームシリンダ１の回路について図示しているが、アームシリンダ３やバケットシリンダの回路も同様の構成である。但し、アームシリンダ３及びバケットシリンダの少なくとも一方は、閉回路油圧駆動装置１０５ではなく一般的な油圧駆動装置で駆動する構成としても良い。
【００１７】
・閉回路
閉回路油圧駆動装置１０５の駆動系は、駆動源としてのエンジン２４、及びエンジン２４によって駆動される油圧ポンプ１２からなる。油圧ポンプ１２は、一対の入出力ポートを持つ両傾転斜板機構、及び両傾転斜板の傾斜角を調整するレギュレータ１２ａを有しており、入出力ポートからの作動油の吐出及び吸入の方向が切り換えられる構成になっている。油圧ポンプ１２の吸吐出流量とその方向は、レギュレータ信号線２８を介してレギュレータ１２ａに入力されるコントローラ５０からの制御信号により制御される。油圧ポンプ１２の２つの入出力ポートには管路１３，１４がそれぞれ接続されている。管路１３は管路１５を介してブームシリンダ１のヘッド室（ヘッド側油室）１ａに、管路１４は管路１６を介してブームシリンダ１のロッド室（ロッド側油室）１ｂに接続している。すなわち、ブームシリンダ１のヘッド室１ａは管路１３，１５を介して油圧ポンプ１２の一方側の入出力ポートに、ロッド室１ｂは管路１４，１６を介して油圧ポンプ１２の他方側の入出力ポートにそれぞれ接続していて、ブームシリンダ１と油圧ポンプ１２とが閉回路状に接続されている。
【００１８】
ブームシリンダ１は、前述したように油圧ポンプ１２から供給される作動油により伸縮作動する油圧片ロッドシリンダである。ブームシリンダ１の伸縮方向（伸長／縮退）は油圧ポンプ１２の作動油の吐出方向による。また、ヘッド室１ａ側の回路（本例では管路１５）には、ヘッド室１ａの圧力を検出する圧力センサ３３ａが設けられている。同じく、ロッド室１ｂ側の回路（本例では管路１６）には、ヘッド室１ｂの圧力を検出する圧力センサ３３ｂがそれぞれ設けられている。
【００１９】
・排出回路
ブームシリンダ１に接続する管路１５，１６からはそれぞれ管路１７，１８が分岐している。これら管路１７，１８は切換弁１９（後述）に接続している。切換弁１９は位置（切換位置）１９ａ−１９ｃを有する電磁駆動式の三位置切換弁である。この切換弁１９は排出管路３０を介して作動油タンク２３に接続している。切換弁１９を位置１９ａに切り換えた場合には、排出管路３０が管路１７に接続し、ヘッド室１ａが作動油タンク２３に連通する。切換弁１９を位置１９ｂに切り換えた場合には、排出管路３０が管路１８に接続し、ロッド室１ｂが作動油タンク２３に連通する。切換弁１９を位置１９ｃに切り換えた場合には、管路１７，１８の双方と排出管路３０との接続が遮断される。切換弁１９の位置は、切換信号線２６を介して両ソレノイドに入力されるコントローラ５０からの制御信号により制御される。なお、本願明細書では、以下、この排出管路３０を介して作動油タンク２３に排出される作動油の流量を「排出流量」と称する。
【００２０】
・リリーフ回路
管路１３，１４は排出管路３０に接続されていて、管路１３，１４を排出管路３０に接続する管路にはそれぞれリリーフ弁２１ａ，２１ｂが設けられている。リリーフ弁２１ａ，２１ｂは、それぞれ管路１３，１４の回路圧が設定圧力以上になった場合に管路１３，１４からタンク２３に作動油を逃がし回路を保護する。リリーフ弁２１ａ，２１ｂによるリリーフ圧はリリーフ弁２１ａ，２１ｂのばね圧で規定される。
【００２１】
・補給回路
管路１３，１４はまた、それぞれ補給管路３１，３２を介して排出管路３０に接続されている。補給管路３１，３２には、それぞれチェック弁２２ａ，２２ｂが設けられている。チェック弁２２ａ，２２ｂは補給管路３１，３２の作動油の流通方向を作動油タンク２３から管路１３，１４に向かう方向に制限し、補給管路３１，３２から作動油タンク２３に作動油が排出されることを禁止するように機能する。例えば管路１３が負圧になったとき、又は管路１３内の作動油が流量不足となったときには、チェック弁２２ａが開いて作動油タンク２３から管路１３に作動油が吸い込まれる。同じく管路１４が負圧になったとき等にはチェック弁２２ｂが開いて管路１４に作動油が吸い込まれる。
【００２２】
・流量制御弁
排出管路３０には流量制御弁２０が設けられている。流量制御弁２０は例えば開口面積が変更可能なオリフィスを備えたものであり、排出流量を調整する流量調整装置として機能する。この流量制御弁２０は、流量信号線２７を介してコントローラ５０から入力される制御信号により制御される。なお、ブームシリンダ１に作用する外力によって油室１ａ，１ｂの内部圧力が変化するため、流量制御弁２０には、管路１７，１８の内部圧力によらず排出流量を指定値に調整することができる圧力補償付流量制御弁を用いることが好ましい。
【００２３】
・コントローラ
図３はコントローラ５０の要部の機能ブロック図である。既述した部材には同図において既出図面と同符号を付して説明を省略する。
【００２４】
同図に示すように、コントローラ５０は、信号入力装置５１、切換信号生成部５２、シリンダ速度演算部５３、ポンプ吐出流量演算部５４、ポンプ傾転角演算部５５、排出流量演算部５６及び信号出力装置５７を備えている。
【００２５】
信号入力装置５１は、圧力センサ３３ａ，３３ｂや操作レバー装置１０等からの信号を入力してデジタル信号化するものである。切換信号生成部５２は、圧力センサ３３ａ，３３ｂの信号に応じて切換弁１９の切換位置を演算するものである。シリンダ速度演算部５３は、操作レバー装置１０のレバー操作量を基にブームシリンダ１の目標動作速度（目標シリンダ速度）Ｖを演算するものである。ポンプ吐出流量演算部５４は、ポンプ１２の目標シリンダ速度Ｖに応じた所要の流量（ポンプ吐出流量）Ｑｐを演算するものである。ポンプ傾転角演算部５５は、流量Ｑｐに応じた油圧ポンプ１２の傾転角を演算するものである。排出流量演算部５６は、流量Ｑｐを基に排出流量Ｑｔを演算するものである。信号出力装置５７は、切換信号生成部５２、ポンプ傾転角演算部５５及び排出流量演算部５６で生成した指令値をアナログ信号化して切換弁１９、油圧ポンプ１２（厳密にはそのレギュレータ１２ａ）及び流量制御弁２０（厳密にはそのレギュレータ２０ａ）にそれぞれ出力するものである。
【００２６】
本実施の形態においては、排出流量演算部５６は、操作レバー装置１０の操作に応じて流量制御弁２０を制御する機能を果たす。また、切換信号生成部５２は、圧力センサ３３ａ，３３ｂ及び切換弁１９と協働して、管路１５，１６のうち低圧側を排出管路３０に選択的に接続する、また管路１５，１６の双方と排出管路３０との接続を遮断する選択接続装置として機能する。
【００２７】
（動作）
図４はコントローラ５０による制御手順の一例を示すフローチャートである。
【００２８】
同図のフローチャートに示したように、コントローラ５０は、ステップＳ１０１で操作レバー装置１０の操作信号を入力し、ステップＳ１０２で目標シリンダ速度Ｖ（伸縮方向含む）を算出し、ステップＳ１０３で圧力センサ３３ａ，３３ｂの信号を基にヘッド室１ａ及びロッド室１ｂそれぞれの回路の内部圧力Ｐｈ，Ｐｒ（以下「ヘッド側圧力Ｐｈ」及び「ロッド側圧力Ｐｒ」）を算出しておく。続いてステップＳ１０４，Ｓ１０５の判断に従って、切換弁１９を制御して余剰流量の排出元の切り換え又は排出の禁止をし（ステップＳ１０６，Ｓ１０９，Ｓ１１２）、油圧ポンプ１２の傾転角を制御して吐出方向及び吐出流量を調整し（ステップＳ１０７，Ｓ１１０，Ｓ１１３）、流量制御弁２０を制御して排出流量Ｑｔを調整する（ステップＳ１０８，Ｓ１１１）。
【００２９】
次に、ブーム２の動作別に制御手順を説明する。ここでは、一連の掘削動作を（１）バケット５が宙に浮いた状態でブーム２を下げてバケットを接地させ（ブーム下げ（空中動作））、（２）バケット５が地面に到達した接地した状態から更にブーム２を下げ（ブーム下げ（バケット接地））、（３）その後ブーム２を上げる（ブーム上げ）という３種類の動作に分け、各動作時におけるコントローラ５０による閉回路油圧駆動装置１０５の制御手順を説明する。
【００３０】
（１）ブーム下げ（空中動作）
図５は閉回路油圧駆動装置１０５のブーム下げ（空中動作）時の状態を表す図である。図５において、太線で示した管路は流通状態にある管路であり、白抜き矢印は作動油の流通方向を示している。この図を参照しつつ、ブーム下げ（空中動作）時のコントローラ５０の制御手順を説明する。
【００３１】
・ステップＳ１０１−Ｓ１０３
オペレータが操作レバー装置１０のレバーをブーム下げ方向（ブームシリンダ１を縮める方向）に操作すると（図５参照）、レバーの操作方向及び操作量に応じた操作信号が操作信号線２５を介してコントローラ５０に入力される（ステップＳ１０１）。コントローラ５０は、入力された操作信号を信号入力装置５１でデジタル信号化し、シリンダ速度演算部５３に送信する。シリンダ速度演算部５３では、操作信号に応じたブームシリンダ１の目標シリンダ速度Ｖが演算される（ステップＳ１０２）。目標シリンダ速度Ｖは、ブーム上げ方向（シリンダ伸長方向）が正の値、ブーム下げ方向（シリンダ縮退方向）が負の値で算出され、それぞれ絶対値の大きさが動作速度となる。また、コントローラ５０は、圧力信号線２９ａ，２９ｂを介して入力される圧力センサ３３ａ，３３ｂからの信号を基にヘッド側圧力Ｐｈ及びロッド側圧力Ｐｒを演算する（ステップＳ１０３）。
【００３２】
・ステップＳ１０４
本ステップでは、コントローラ５０は、目標シリンダ速度Ｖが０（ゼロ）より大きいか否かを判定する。Ｖ＞０で判定が満たされた場合には、コントローラ５０は、ステップＳ１１２に手順を移し、Ｖ≦０で判定が満たされない場合にはステップＳ１０５に手順を移す。ここではブーム下げ動作の指示であってＶは負の値となるため、手順はステップ１０５に移る。
【００３３】
・ステップＳ１０５
本ステップでは、コントローラ５０は、切換信号生成部５２でＰｈ＞Ｐｒであるか否かを判定し、Ｐｈ＞Ｐｒであって判定が満たされた場合には、ステップＳ１０６に手順を移し、Ｐｈ≦Ｐｒであって判定が満たされない場合にはステップＳ１０９に手順を移す。ここではバケット５が宙に浮いた状態であるため、ブーム２、アーム４及びバケット５を含めた作業装置６の自重が外力としてブームシリンダ１を縮める方向に作用する。その結果、ブームシリンダ１のヘッド室１ａの内部が昇圧し、ヘッド室１ａから排出される作動油の圧力（＝ヘッド側圧力Ｐｈ）はロッド室１ｂに流入する作動油の圧力（＝ロッド側圧力Ｐｒ）よりも高くなる。従って、手順はステップＳ１０６に移る。
【００３４】
・ステップＳ１０６
本ステップでは、コントローラ５０は、切換信号生成部５２で生成した信号を信号出力装置５７でアナログ信号化して、切換信号線２６を介して切換弁１９に出力する。これによって図５に示したように切換弁１９が位置１９ｂに切り換わり、管路１８及び切換弁１９を介して管路１５より低圧の管路１６が排出管路３０に接続し、油圧シリンダ１のロッド室１ｂが作動油タンク２３に連通する。
【００３５】
・ステップＳ１０７
本ステップでは、コントローラ５０は、ポンプ吐出流量演算部５４で目標シリンダ速度Ｖに応じた流量Ｑｐを演算する。そして、ポンプ傾転角演算部５５で流量Ｑｐに応じたポンプ傾転角（指令値）を演算し、演算した指令値を信号出力装置５７でアナログ信号化してレギュレータ信号線２８を介してレギュレータ１２ａに出力する。本ステップにおいては、流量Ｑｐは、ヘッド室１ａの受圧面積Ａｈと目標シリンダ速度Ｖから、
Ｑｐ＝ＶＡｈ
と演算される。
【００３６】
こうしてレギュレータ１２ａに指令信号が出力されることにより、油圧ポンプ１２の傾転角がレギュレータ１２ａによって制御され、油圧ポンプ１２からは管路１４側に流量Ｑｐの作動油が吐出され、管路１６を介してブームシリンダ１のロッド室１ｂに供給される。このとき、管路１３を介して油圧ポンプ１２の吸入側へ流入する作動油も流量Ｑｐになる。つまり、ヘッド室１ａから流量Ｑｐで作動油が流出し、管路１５，１３を介して油圧ポンプ１２に吸入されることとなる。
【００３７】
シリンダ動作速度Ｖｃと流量Ｑｐの間にはＱｐ＝ＶｃＡｈの関係が成立する。そこで、レギュレータ１２ａに対する流量Ｑｐに応じた指令値Ｑは、目標シリンダ速度Ｖを用いて、Ｑ＝ＶＡｈと求められる。油圧ポンプ１２のレギュレータ１２ａは流量Ｑｐを指令値Ｑに一致させるように油圧ポンプ１２を制御するので、シリンダ動作速度Ｖｃは目標シリンダ速度指令値Ｖに一致する。
【００３８】
・ステップＳ１０８
本ステップでは、コントローラ５０は、ブームシリンダ１が目標シリンダ速度Ｖで定速縮退するように、換言すればロッド室１ｂに所望の流量が流入するように、排出流量演算部５６で流量Ｑｐを基に排出流量Ｑｔを演算し、演算した指令値を信号出力装置５７でアナログ信号化して流量信号線２７を介して流量制御弁２０のレギュレータ２０ａに出力する。これにより、排出流量Ｑｔが所望の流量に調整される。
【００３９】
ここで、ブームシリンダ１の縮退動作速度を一定にするためには、ブームシリンダ１のヘッド室１ａから流出する作動油の流量Ｑｐに対し、ロッド室１ｂに流入する作動油の流量がαＱｐとならなければならない。ここで、αは次のように定義される。
【００４０】
α＝Ａｒ／Ａｈ
Ａｒはロッド室１ｂの受圧面積、Ａｈはヘッド室１ａの受圧面積である。つまり、αはロッド室１ｂとヘッド室１ａの受圧面積の比（０＜α＜１）である。
【００４１】
コントローラ５０は、管路１６を介してブームシリンダ１のロッド室１ｂに流入する作動油の流入流量がαＱｐとなるように流量制御弁２０を制御して排出流量Ｑｔを調整する。具体的には、コントローラ５０は排出流量演算部５６で次のように排出流量Ｑｔを演算する。
【００４２】
Ｑｔ＝（１−α）Ｑｐ
演算した排出流量Ｑｔを指令値として、コントローラ５０は、信号出力装置５７を介してアナログ信号化して流量信号線２７を介して流量制御弁２０のレギュレータ２０ａに指令信号を出力する。レギュレータ２０ａは指令信号に従って流量制御弁２０を制御し、排出流量Ｑｔを演算値（（１−α）Ｑｐ）に調整する。これによってロッド室１ｂに流入する作動油の流量はαＱｐ（＝Ｑｐ−Ｑｔ）となり、安定した速度でブームシリンダ１が動作する。
【００４３】
バケット５が接地せず宙に浮いた状態でブーム下げ動作が継続される間、コントローラ５０は、上記ステップＳ１０１−Ｓ１０８の処理を繰り返し実行する。
【００４４】
（２）ブーム下げ（バケット接地）
図６は閉回路油圧駆動装置１０５のブーム下げ（バケット接地）時の状態を表す図である。図６において、太線で示した管路は流通状態にある管路であり、白抜き矢印は作動油の流通方向を示している。この図を参照しつつ、ブーム下げ（バケット接地）時のコントローラ５０の制御手順を説明する。
【００４５】
・ステップＳ１０１−Ｓ１０５
ステップＳ１０１−Ｓ１０３はブーム下げ（空中動作）時と同様である。また、ブーム下げ（空中動作）と同じくブーム下げ動作であるため、ステップＳ１０４においてもブーム下げ（空中動作）時と同様に判定され、コントローラ５０は手順をステップＳ１０５に進める。しかし、ブーム下げ（バケット接地）時には、空中動作時とは異なり、ブーム２、アーム４及びバケット５を含めた作業装置６の自重がブームシリンダ１のヘッド室１ａに作用しなくなるため、空中動作時に比べてヘッド側圧力Ｐｈが低下する。同時に、地面からバケット５に作用する反力が油圧ショベル１００の前部を持ち上げるように負荷が発生するため、ロッド室１ｂに流入する作動油の圧力（＝ロッド側圧力Ｐｒ）が上昇する。その結果、管路１６に対して管路１５が低圧となる（Ｐｈ＜Ｐｒ）。従って、ステップＳ１０５の判定が満たされず、コントローラ５０は手順をステップＳ１０９に移す。
【００４６】
・ステップＳ１０９
本ステップでは、コントローラ５０は、切換信号生成部５２で生成した信号を信号出力装置５７でアナログ信号化して、切換信号線２６を介して切換弁１９に出力する。これによって図６に示したように切換弁１９が位置１９ａに切り換わり、管路１７及び切換弁１９を介して管路１５，１６のうちの低圧側の管路１５が排出管路３０に接続し、油圧シリンダ１のヘッド室１ａが作動油タンク２３に連通する。
【００４７】
・ステップＳ１１０
本ステップでは、コントローラ５０は、ポンプ吐出流量演算部５４で目標シリンダ速度Ｖに応じた流量Ｑｐを演算する。そして、ポンプ傾転角演算部５５で流量Ｑｐに応じたポンプ傾転角（指令値）を演算し、信号出力装置５７を介してレギュレータ１２ａに指令信号を出力する。但し、本ステップにおいては、流量Ｑｐは、ロッド室１ｂの受圧面積Ａｒと目標シリンダ速度Ｖから次のように演算される。
【００４８】
Ｑｐ＝ＶＡｒ
こうしてレギュレータ１２ａに指令信号が出力されることにより、油圧ポンプ１２の傾転角がレギュレータ１２ａによって制御され、油圧ポンプ１２からは管路１４側に流量Ｑｐの作動油が吐出され、管路１６を介してブームシリンダ１のロッド室１ｂに供給される。また、ヘッド室１ａから流量Ｑｐで作動油が流出し管路１５，１３を介して油圧ポンプ１２に吸入される。
【００４９】
・ステップＳ１１１
本ステップでは、コントローラ５０は、ブームシリンダ１が目標シリンダ速度Ｖで定速縮退するように、換言すればロッド室１ｂに所望の流量が流入するように、排出流量演算部５６で上記流量Ｑｐを基に排出流量Ｑｔを演算し、演算した指令値を信号出力装置５７を介して流量制御弁２０のレギュレータ２０ａに出力する。これにより、排出流量Ｑｔが所望の値に調整される。
【００５０】
但し、本ステップでは排出流量Ｑｔを次のように演算する。
【００５１】
Ｑｔ＝（１−α）Ｑｐ／α
前述したように、α＝Ａｒ／Ａｈである。
【００５２】
演算した排出流量Ｑｔを指令値として、コントローラ５０は、流量制御弁２０のレギュレータ２０ａに指令信号を出力する。ヘッド室１ａから吐出される作動油の流量はＱｐ／αであり、管路１７を介して作動油タンク２３に排出される流量がＱｔになることから、管路１３側から油圧ポンプ１２に吸入される流量はＱｐ／α−Ｑｔ＝Ｑｐとなり、油圧ポンプ１２の管路１４側への吐出流量に等しいＱｐとなる。これにより、安定した速度でブームシリンダ１が動作する。
【００５３】
バケット５が接地した状態でブーム下げ動作が継続される間、コントローラ５０は、上記ステップＳ１０１−Ｓ１０５，Ｓ１０９−Ｓ１１１の処理を繰り返し実行する。
【００５４】
（３）ブーム上げ
図７は閉回路油圧駆動装置１０５のブーム上げ時の状態を表す図である。図７において、太線で示した管路は流通状態にある管路であり、白抜き矢印は作動油の流通方向を示している。この図を参照しつつ、ブーム上げ時のコントローラ５０の制御手順を説明する。
【００５５】
・ステップＳ１０１−Ｓ１０４
ステップＳ１０１−Ｓ１０３はブーム下げ（空中動作）時と同様であるが、ブーム上げ動作では目標シリンダ速度Ｖは正の値であることから（Ｖ＞０）、ステップＳ１０４の判定が満たされ、コントローラ５０はステップＳ１０４からステップＳ１１２に手順を進める。ちなみに、ブーム上げ動作時には、ブーム下げ（空中動作）時と同じく作業装置６の自重がブームシリンダ１に対して縮退方向に作用するため、基本的にＰｈ＞Ｐｒとなる。
【００５６】
・ステップＳ１１２，Ｓ１１３
ブーム上げ時（ブームシリンダ１の伸長時）には、ブームシリンダ１のヘッド室１ａに作動油が供給され、ロッド室１ｂから作動油が流出する。そのため、ブームシリンダ１に対する供給流量に対してブームシリンダ１からの排出流量が少なくなり余剰流量は生じない。従って、本ステップでは、コントローラ５０は、切換信号生成部５２で信号を生成して信号出力装置５７を介して切換弁１９に出力し、図７に示したように切換弁１９を位置１９ｃに切り換えて管路１７，１８の双方から排出管路３０を遮断し、油圧シリンダ１の油室１ａ，１ｂの双方の作動油タンク２３との接続を遮断する。これによって流量制御弁２０の作動油の流通が禁止される。
【００５７】
・ステップＳ１１３
続くステップＳ１１３では、コントローラ５０はステップＳ１０７と同じように油圧ポンプ１２の流量Ｑｐ（＝ＶＡｈ）を設定する。但し、本ステップでは、目標シリンダ速度Ｖが正の値であるため、ブーム下げ動作時とは反対に、図７に示したように油圧ポンプ１２からはヘッド室１ａに作動油が供給され、ロッド室１ｂから吐出された作動油が油圧ポンプ１２に吸入される。
【００５８】
このとき、ブームシリンダ１のロッド室１ｂから排出される流量はαＱｐとなるので流量Ｑｐに対して不足する。しかし、ロッド側圧力Ｐｒがヘッド側圧力Ｐｈに対して負圧になるため、チェック弁２２ｂが開き、補給管路３２を介して作動油タンク２３から作動油が吸い込まれ、管路１６を流れる作動油に合流する。その結果、管路１６，１４を介して油圧ポンプ１２に吸入される流量がＱｐとなり、ブームシリンダ１は目標シリンダ速度Ｖで安定して伸長する。
【００５９】
このようなブーム上げ動作が継続される間、コントローラ５０は、上記ステップＳ１０１−Ｓ１０４，Ｓ１１２，Ｓ１１３の処理を繰り返し実行する。
【００６０】
図８は本発明を適用しない場合のブーム下げ時（急動作時）のレバー操作量に対する回路内の圧力及び流量、シリンダ速度の挙動を例示した図である。この例では、流量制御弁２０を単なるリリーフ弁で代替し、排出管路３０を流れる作動油の流量をレバー操作量に応じて制御しないものとする。
【００６１】
図８において、Ｐ１は作動油の排出経路中の切換弁１９の上流側、例えば管路１７又は１８の圧力（シリンダ負荷）、Ｐ２は排出管路３０（切換弁１９と作動油タンク２３の間）の圧力、Ｑ１はブームシリンダ１に流入する作動油の流量、Ｑ２は排出管路３０を介して作動油タンク２３に排出される作動油の流量（排出流量Ｑｔ）、Ｑ３は油圧ポンプ１２の吐出流量（流量Ｑｐ）である。
【００６２】
ここでは、時刻ｔ１にレバー操作を開始し、時刻ｔ２にレバー操作量が最大値に達した場合を考える。流量制御弁２０による排出流量Ｑｔの制御を行わないと、レバー操作開始時（時刻ｔ１）からシリンダ負荷Ｐ１が上昇して排出管路３０の圧力Ｐ２を超えた状態が続き、同図の例では、この間の油圧ポンプ１２の吐出流量Ｑ３が全て低圧の排出管路３０に流れ、ブームシリンダ１への流入流量Ｑ１は０となっている。その後、作動油の排出に伴ってＰ１が低下し始めて（時刻ｔ２）排出管路３０の圧力Ｐ２を下回ると（時刻ｔ３）、ブームシリンダ１に作動油が流入し始め、その後、流入流量Ｑ１はレバー操作量に応じた値まで増加する（時刻ｔ４）。排出流量Ｑ２は流量Ｑ１の増加に伴って減少する。
【００６３】
このようにシリンダ負荷Ｐ１の変化によらず排出管路３０の圧力がほぼ一定であるため、油圧回路内の圧力状態がレバー操作に応じた状態に落ち着くまでの間に、Ｐ１，Ｐ２の大小関係の逆転、Ｐ１，Ｐ２の比の変化が生じる。その結果、レバー操作に対するブームシリンダ１の出力動作の応答遅れの増大、レバー操作に対するブームシリンダ１の動作の不一致等が生じる。例えば同図では、レバー操作開始から最大操作量に至るまでの時間（ｔ１〜ｔ２）とブームシリンダ１の縮退開始から目標シリンダ速度Ｖに達するまでの時間（ｔ３〜ｔ４）との一致性が低く、レバー操作に対してブーム下げ動作が遅れて急動作するような場合もあり得る。排出流量Ｑ２を制御しない場合、このようにブームシリンダ１に流入する流量Ｑ１の挙動がレバー操作に応じず、微操作性を確保することが難しい。
【００６４】
図９は本実施の形態におけるブーム下げ時（急動作時）のレバー操作量に対する回路内の圧力及び流量、シリンダ速度の挙動を例示した図であり、図８に対応している。Ｐ１，Ｐ２，Ｑ１−Ｑ３が表す量は図８と同じである。
【００６５】
それに対し、本実施の形態では、レバー操作に応じて流量制御弁２０で排出管路３０の流量Ｑ２を制御することで、Ｑ１，Ｑ２の比、Ｐ１，Ｐ２の比の変動が抑制され、ブームシリンダ１への流入流量Ｑ１がレバー操作に応じる。これにより、操作レバー装置１０の操作に応じたブームシリンダ１の動作速度を補償することができ、良好な微操作性を得ることができる。
【００６６】
また、例えば本実施の形態では、ブーム下げ時にバケットが接地した場合、ブームシリンダ１の油室１ａ，１ｂの圧力の大小関係が逆転するが、油室１ａ，１ｂの流量比の変化が抑制されるので、ブームシリンダ１の縮退速度はレバー操作に応じた値を維持することができる。
【００６７】
また、ブーム下げ時、管路１５，１６のうち低圧側を排出管路３０に接続し、圧力の低い作動油を選択して作動油タンク２３に排出することで、エネルギー効率の良い閉回路油圧駆動装置にあって更なるエネルギー損失の低減を図ることができる。
【００６８】
＜第２の実施の形態＞
図１０は本発明の第２の実施の形態に係る閉回路油圧駆動装置の要部を抽出して表した油圧回路図で、第１の実施の形態の図２に対応する図である。既述した部材には同図において既出図面と同符号を付して説明を省略する。
【００６９】
本実施の形態が第１の実施の形態と相違する点は、流量制御弁２０を省略して代わりに可変容量油圧モータ４０を排出管路３０に設けた点であり、排出管路３０を流れる作動油で可変容量油圧モータ４０を駆動し、排出流量Ｑｔを可変容量油圧モータ４０の負荷によって調整する点である。
【００７０】
可変容量油圧モータ４０はレギュレータ４０ａを備えていて、流量信号線４１を介して入力されるコントローラ５０からの指令信号に従ってレギュレータ４０ａが駆動し、レギュレータ４０ａによって傾転角が制御されることによって吸入流量が制御される。可変容量油圧モータ４０の出力軸には発電機４２が接続されており、発電機４２には蓄電装置４３が接続されている。
【００７１】
本実施の形態の場合、先の図４のステップＳ１０８，Ｓ１１１において、排出流量演算部５６は、可変容量油圧モータ４０の吸入流量（＝排出流量Ｑｔ）が演算値となるように可変容量油圧モータ４０に対する指令値を生成し、信号出力装置５７を介してレギュレータ４０ａに出力する。これにより可変容量油圧モータ４０の吸入流量（＝排出流量Ｑｔ）が調整される。このとき、排出管路３０を流れる作動油によって可変容量油圧モータ４０が駆動し発電機４２が駆動する。発電機４２で得られた電気エネルギーは蓄電池４３に蓄電され、油圧ショベル１００に搭載された各種電気機器の電源として使用される。
【００７２】
構成及び動作を含めてその他の点については第１の実施の形態と同様である。
【００７３】
本実施の形態においても第１の実施の形態と同様の効果が得られる。加えて、閉回路中の余剰の作動油を可変容量油圧モータ４０の作動媒体として利用することでエネルギー損失を更に抑えることができる。特に本実施の形態の場合、可変容量油圧モータ４０の負荷機器に発電機４２を用いることで、余剰流量の流体エネルギーを電気エネルギーとして回収することができる点でメリットが大きい。但し、余剰流量のエネルギーを電気エネルギーとして回収する必要がなければ、可変容量油圧モータ４０で駆動する負荷機器は発電機４２である必要はなく、他の負荷機器を可変容量油圧モータ４０に接続しても排出管路３０を流れる作動油の流量を調整する上では十分である。
【００７４】
＜第３の実施の形態＞
図１１は本発明の第３の実施の形態に係る閉回路油圧駆動装置の要部を抽出して表した油圧回路図で、第１の実施の形態の図２に対応する図である。既述した部材には同図において既出図面と同符号を付して説明を省略する。
【００７５】
本実施の形態が第１の実施の形態と相違する点は、流量制御弁２０を省略して代わりに可変絞り６０を排出管路３０に設けた点であり、排出管路３０を介して作動油タンク２３に流れる作動油の流量を可変絞り６０によって調整する点である。
【００７６】
可変絞り６０はレギュレータ６０ａを備えていて、流量信号線６１を介して入力されるコントローラ５０からの指令信号に従ってレギュレータ６０ａが駆動し、レギュレータ６０ａによって絞り面積（開口面積）が制御されることによって排出流量が制御される。
【００７７】
本実施の形態の場合、先の図４のステップＳ１０８，Ｓ１１１において、排出流量演算部５６は、可変絞り６０を通過する作動油の流量（＝排出流量Ｑｔ）が演算値となるように可変絞り６０に対する指令値を生成し、信号出力装置５７を介してレギュレータ６０ａに出力する。これにより排出流量Ｑｔが調整される。例えば、レギュレータ６０ａに対する指令値Ｑは、
Ｑｔ＝ＣｄＡ√Ｐ
と求めることができる。Ｐは排出管路３０に接続する管路１７又は１８の圧力、Ａは絞り面積、Ｃｄは絞りの流量係数である。
【００７８】
構成及び動作を含めてその他の点については第１の実施の形態と同様である。本実施の形態においても第１の実施の形態と同様の効果が得られる。
【００７９】
＜第４の実施の形態＞
図１２は本発明の第４の実施の形態に係る閉回路油圧駆動装置の要部を抽出して表した油圧回路図で、第１の実施の形態の図２に対応する図である。既述した部材には同図において既出図面と同符号を付して説明を省略する。
【００８０】
本実施の形態が第１の実施の形態と相違する点は、流量制御弁２０を省略して代わりに可変絞り機構７０ａ，７０ｂを切換弁１９に設けた点であり、排出管路３０を介して作動油タンク２３に流れる作動油の流量を可変絞り機構７０ａ又は７０ｂによって調整する点である。
【００８１】
本実施の形態において、切換弁１９は比例電磁式の三位置切換弁であり、切換信号線２６を介して入力されるコントローラ５０からの指令信号の大きさによってスプール移動量が変化する。このスプール移動量により位置１９ａ，１９ｂの通路の開口面積が制御され、この機構が切換弁１９の位置１９ａ，１９ｂの流路の可変絞り機構７０ａ，７０ｂとして機能する。
【００８２】
本実施の形態の場合、先の図４のステップＳ１０８，Ｓ１１１において、排出流量演算部５６は、可変絞り６０を通過する作動油の流量（＝排出流量Ｑｔ）が演算値となるように切換弁１９に対する指令値を生成し、信号出力装置５７を介して切換弁１９に出力する。これにより排出流量Ｑｔが調整される。切換弁１９に対する指令値Ｑは第３の実施の形態と同じ要領で演算することができる。
【００８３】
構成及び動作を含めてその他の点については第１の実施の形態と同様である。本実施の形態においても第１の実施の形態と同様の効果が得られる。
【００８４】
＜第５の実施の形態＞
図１３は本発明の第５の実施の形態に係る閉回路油圧駆動装置の要部を抽出して表した油圧回路図で、第１の実施の形態の図２に対応する図である。既述した部材には同図において既出図面と同符号を付して説明を省略する。
【００８５】
本実施の形態が第１の実施の形態と相違する点は、ブーム下げ動作時に管路１７，１８の低圧側を排出管路３０に接続する選択接続装置として低圧選択弁（フラッシング弁）８０を切換弁１９の代わりに設けた点である。
【００８６】
低圧選択弁８０は、コントローラ５０により制御されるものではなく、管路１７，１８から導かれるパイロット圧で駆動する。例えば管路１７に対して管路１８の圧力が高くなった場合には、低圧選択弁８０は位置８０ｂに切り換わり、低圧側の管路１８が作動油タンク２３に連通する。反対に管路１８に対して管路１７の圧力が高くなった場合には、低圧選択弁８０は位置８０ａに切り換わり、低圧側の管路１７が作動油タンク２３に連通する。管路１７，１８の圧力差が小さいときには低圧選択弁８０は位置８０ｃに切り換わり、管路１７，１８の双方が作動油タンク２３から切り離される。
【００８７】
本実施の形態の場合、先の図４のステップＳ１０６，Ｓ１０９，Ｓ１１２は、管路１７，１８の圧力の大小関係に従って低圧選択弁８０がコントローラ５０の指令によらず動作するので省略されるが、その他の処理については第１の実施の形態と同様に実行される。
【００８８】
構成及び動作を含めてその他の点については第１の実施の形態と同様である。本実施の形態においても第１の実施の形態と同様の効果が得られる。
【００８９】
＜その他＞
以上、実施の形態を５つ例示したが、本発明の実施の形態は以上の実施の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更可能である。例えば、上記５つの実施の形態のうちの複数の実施の形態の特徴を適宜組み合わせることは容易である。
【００９０】
また、以上の実施の形態ではブームシリンダ１の縮退動作時における油室１ａ，１ｂの圧力の大小関係に従って排出管路３０の接続元を切り換えているが、この技術思想はアームシリンダ３やバケットシリンダ（不図示）にも適用可能である。例えば、アームシリンダ３を縮めて空中でアームダンプ（アーム４がキャブ１０３から離れる）する際にも、ブーム下げ動作でバケット５を接地させたときと同じような圧力変化が発生し得る。アーム４及びバケット５の自重のアームシリンダ３への作用方向が、アーム４の姿勢の変化に伴ってアームシリンダ３の縮退方向と伸長方向とで切り換わるためである。
【００９１】
また、以上の実施の形態では、油圧ショベルに本発明を適用した場合を例に挙げて説明したが、本発明は油圧ショベル以外の建設機械にも適用可能である。例えば、油圧式クレーンやホイールローダ等、閉回路油圧駆動装置で駆動し得る油圧シリンダを駆動装置とする作業装置を備えた建設機械の全般に本発明は適用可能である。
【符号の説明】
【００９２】
１          ブームシリンダ（油圧シリンダ）
１ａ        ヘッド室（ヘッド側油室）
１ｂ        ロッド室（ロッド側油室）
６          作業装置
１０        操作レバー装置（操作装置）
１２        油圧ポンプ
１３，１５  管路（第１管路）
１４，１６  管路（第２管路）
１９        切換弁（選択接続装置）
２０        流量制御弁（流量調整装置）
２３        作動油タンク
３０        排出管路
３３ａ，ｂ  圧力センサ（選択接続装置）
４０        可変容量油圧モータ（流量調整装置）
４２        発電機
４３        蓄電池
５０        コントローラ（制御装置）
５２        切換信号生成部（選択接続装置）
６０        可変絞り（流量調整装置）
７０ａ，ｂ  可変絞り（流量調整装置）
８０        低圧選択弁（選択接続装置）
１００      油圧ショベル（建設機械）
１０５      閉回路油圧駆動装置
Ａｒ        ロッド側油室の受圧面積
Ａｈ        ヘッド側油室の受圧面積
Ｑｐ        ポンプ吐出流量
α          ロッド側油室及びヘッド側油室の受圧面積比
【図１】
2014095396.tif 000003
【図２】
2014095396.tif 000004
【図３】
2014095396.tif 000005
【図４】
2014095396.tif 000006
【図５】
2014095396.tif 000007
【図６】
2014095396.tif 000008
【図７】
2014095396.tif 000009
【図８】
2014095396.tif 000010
【図９】
2014095396.tif 000011
【図１０】
2014095396.tif 000012
【図１１】
2014095396.tif 000013
【図１２】
2014095396.tif 000014
【図１３】
2014095396.tif 000015