(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動機によって一つの油圧ポンプを駆動し、この油圧ポンプの吐出油を方向切換弁を介して片ロッド式のブームシリンダのヘッド側油室またはロッド側油室に供給するように構成し、上記ブームシリンダに作用する外力の方向と、操作体の操作による上記ブームシリンダの作動方向を検出し、
（ａ）ブームシリンダを上記外力の方向と同方向に作動させるときに、動力回生モードとして、上記電動機を逆転回転させるとともに、上記方向切換弁を、外力による圧力が作用する側のシリンダ油室の油を上記油圧ポンプに流入させる位置に切換えて動力回生を行い、
（ｂ）ブームシリンダを外力の方向と反対方向に作動させるときは、通常運転モードとして、上記電動機を正転回転させるとともに、上記方向切換弁を、上記油圧ポンプから外力による圧力が作用する側のシリンダ油室に油を供給する位置に切換える
ことを特徴とする油圧ショベルのブームシリンダ回路の制御方法。
【請求項２】
ブームを下げてアタッチメントを地面に押し付けることによって車体を前上がりに浮かせた状態で、ブームシリンダに外力の方向と同方向の伸長作動を行わせるときに、動力回生モードとして、外力による圧力が作用するロッド側油室の油を上記油圧ポンプに流入させて動力回生を行うことを特徴とする請求項１記載の油圧ショベルのブームシリンダ回路の制御方法。
【請求項３】
上記ブームシリンダに縮小方向の外力が作用する条件下でブームシリンダを縮小させるときに、このブームシリンダの両側油室を方向切換弁を介して連通させることを特徴とする請求項１記載の油圧ショベルのブームシリンダ回路の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はブームシリンダからの流出油で油圧ポンプを駆動して動力を回生する油圧ショベルのブームシリンダ回路の制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ブームシリンダの油圧源としての油圧ポンプを電動機で駆動する電動機駆動方式をとる油圧ショベルのブームシリンダ回路においては、エネルギーの効率利用の観点から、外力によってブームシリンダに作用する伸縮作動力を動力としてブームシリンダ、油圧ポンプ、電動機を介してバッテリに回収（動力回生）したいという要望がある。
【０００３】
具体的には、油圧ショベルのブームには、ブームを含む作業アタッチメントの重量によって常に下向きに力が作用し、ブームを駆動するブームシリンダに縮小方向の外力が作用している。
【０００４】
このとき、ブームシリンダには、上記縮小方向の外力によってヘッド側油室に圧力が立っているため、同シリンダを縮小作動させるときには、ヘッド側油室の油を抜くだけでよく、このシリンダから流出する油で油圧ポンプを回転させて電動機を駆動し、動力回生することができる。
【０００５】
この動力回生を行うための従来のブームシリンダ回路の原理構成を図３に示している。
【０００６】
この回路においては、電動機１でヘッド側及びロッド側両油圧ポンプ（以下、ヘッド側ポンプ、ロッド側ポンプという）２，３を駆動してその吐出油を片ロッド式のブームシリンダ４のヘッド側油室４ａまたはロッド側油室４ｂに供給する構成をとっている。Ｔはタンクである。
【０００７】
ブームシリンダ４には、前記したように図中矢印で示す通り下向きの力が作用し、シリンダヘッド側油室４ａ（斜線を付して示している）に圧力が発生している。
【０００８】
この状況下でブームシリンダ４を伸長作動させるときは、電動機１を正転回転させることによってヘッド側ポンプ２を駆動し、その吐出油をヘッド側油室４ａに供給する。こうすれば、シリンダ４が伸長作動し、ロッド側油室４ｂから放出される油がロッド側ポンプ３に流入してこれを回転させ、この回転力が電動機１に加えられることによって動力回生作用が行われる。
【０００９】
一方、ブームシリンダ４を縮小作動させるときは、電動機１を逆転回転させることによってロッド側ポンプ３を駆動し、その吐出油をロッド側油室４ｂに供給する。
【００１０】
このとき、ヘッド側油室４ａから、外力によって発生している高圧の油がヘッド側ポンプ２に吸い込まれる。これにより、同ポンプ２が、シリンダ伸長作動時のロッド側ポンプ３の場合よりも強力なモータ作用を行うため、より高い動力回生作用が行われる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、ブームシリンダ４が片ロッド式、つまり、ヘッド側及びロッド側両油室４ａ，４ｂに容積の差があることから次のような問題が生じていた。
【００１２】
たとえばシリンダ伸長時には、前記したようにヘッド側ポンプ２からヘッド側油室４ａに油が供給されると同時に、ロッド側油室４ｂの油がロッド側ポンプ３に流入する。
【００１３】
このとき、両側油室４ａ，４ｂの容積差により、ロッド側ポンプ３への流入流量がヘッド側ポンプ２からの流出流量よりも少ないため、両ポンプ２，３の容量を同じとするとロッド側ポンプ３の流入流量が不足してキャビテーションが発生する。
【００１４】
逆に、シリンダ縮小時には、ヘッド側油室４ａからの流出流量がロッド側油室４ｂへの流入流量よりも多くなってヘッド側の圧力が高くなる。
【００１５】
このようなヘッド側とロッド側の流量の過不足を解消するために、従来は、ヘッド側及びロッド側両ポンプ２，３の容量比を両側油室４ａ，４ｂの容積比と同じに設定している。
【００１６】
ところが、ポンプ流量＝回転数×ポンプ容量×容積効率の関係において、容積効率は圧力によって大きく変化するし、回転数でも変化し、さらに個体差も影響する。このため、ポンプの容量比を両側油室４ａ，４ｂの容積比に合わせるだけでは流量の過不足は十分には解消できない。
【００１７】
また、ヘッド側及びロッド側両ポンプ２，３を別々の電動機によって異なる回転数で回転させることも考えられるが、こうしてもポンプ容積効率の差の問題は残るため、根本的な解決とはならない。しかも、電動機を増設することで設備コスト及びスペースの点で不利となる。
【００１８】
そこで本発明は、電動機でポンプを駆動する方式をとり、かつ、シリンダに外力が作用する油圧ショベルのブームシリンダ回路において、ポンプ流量の過不足の問題を解決しながら動力回生運転及び通常運転を行うことができる制御方法を提供するものである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、電動機によって一つの油圧ポンプを駆動し、この油圧ポンプの吐出油を方向切換弁を介して片ロッド式のブームシリンダのヘッド側油室またはロッド側油室に供給するように構成し、上記ブームシリンダに作用する外力の方向と、操作体の操作による上記ブームシリンダの作動方向を検出し、
（ａ）ブームシリンダを上記外力の方向と同方向に作動させるときに、動力回生モードとして、上記電動機を逆転回転させるとともに、上記方向切換弁を、外力による圧力が作用する側のシリンダ油室の油を上記油圧ポンプに流入させる位置に切換えて動力回生を行い、
（ｂ）ブームシリンダを外力の方向と反対方向に作動させるときは、通常運転モードとして、上記電動機を正転回転させるとともに、上記方向切換弁を、上記油圧ポンプから外力による圧力が作用する側のシリンダ油室に油を供給する位置に切換えるものである。
【００２０】
請求項２の発明は、請求項１の方法において、ブームを下げてアタッチメントを地面に押し付けることによって車体を前上がりに浮かせた状態でブームシリンダを縮小させるときに、動力回生モードとして、外力による圧力が作用するロッド側油室の油を上記油圧ポンプに流入させて動力回生を行うものである。
【００２１】
請求項３の発明は、請求項１の方法において、上記ブームシリンダに縮小方向の外力が作用する条件下でブームシリンダを縮小させるときに、このブームシリンダの両側油室を方向切換弁を介して連通させるものである。
【００２２】
上記方法によると、一つの油圧ポンプでブームシリンダを伸長及び縮小方向に駆動するため、二つのポンプを用いる場合のような両ポンプの流量の過不足の問題が生じない。
【００２３】
しかも、ブームシリンダを外力の方向と同方向に作動させるときに、外力による圧力が作用する側のシリンダ油室の油をポンプに流入させて動力回生を行い、反対方向への作動時には、ポンプ吐出油を外力による圧力が作用する側の油室に供給することによって通常の運転を行うことができる。
【００２４】
すなわち、流量の過不足の問題が生じない１ポンプ方式をとりながら動力回生運転及び通常運転を支障なく行うことができる。
【００２５】
ところで、この回路構成において、ブームシリンダに縮小方向の外力が作用する条件下でブームシリンダを縮小させる場合、外力（負荷）が小さいとヘッド側油室に発生する圧力（ヘッド側油室からポンプに流入する油の圧力＝ポンプを回転させる力）も弱くなるため、動力回生作用の効率が悪くなる。
【００２６】
この点、請求項３の方法によると、上記状況下で、ブームシリンダの両側油室を方向切換弁を介して連通させるため、シリンダの両側油室が同圧となって、ヘッド側油室の圧力が高められる。このため、外力が小さい場合でもポンプを高い圧力で回転させて動力回生作用を効率良く行うことができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を図１，２によって説明する。
【００２８】
第１実施形態（図１参照）
このブームシリンダ回路においては、一つの電動機１１で一つの油圧ポンプ１２を駆動し、その吐出油を電磁−油圧パイロット式の方向切換弁１３を介してブームシリンダ１４のヘッド側油室１４ａまたはロッド側油室１４ｂに供給する構成をとっている。
【００２９】
電動機１１は、インバータ１５を介してコントローラ１６に接続され、レバー操作される操作体１７の操作に基づくコントローラ１６からの指令信号によってその運転（回転・停止・回転数）が制御される。
【００３０】
なお、インバータ１５にはバッテリ１８が接続され、動力回生による電気エネルギーがこのバッテリ１８に蓄積される。
【００３１】
方向切換弁１３は、中立位置イと、図下側の第１の位置ロと、同上側の第２の位置ハとを有し、コントローラ１６からの電気信号によりこれら各位置間で切換わり作動してブームシリンダ１４の作動を制御する。
【００３２】
すなわち、方向切換弁１３の両側ソレノイド１３ａ，１３ｂのいずれにも通電されない状態では同切換弁１３が中立位置イにある。このとき、ブームシリンダ１４には油は供給されず、同シリンダ１４からの油の流出も阻止されるため、ブームシリンダ１４は作動しない。
【００３３】
方向切換弁１３の図下側の第１ソレノイド１３ａが通電されると、同切換弁１３が第１の位置ロに切換わる。このとき、ブームシリンダ１４のヘッド側油室１４ａがポンプ１２に、ロッド側油室１４ｂがタンクライン１９を介してタンクＴにそれぞれ連通する。
【００３４】
方向切換弁１３の図上側の第２ソレノイド１３ｂが通電されると、同切換弁１３が第２の位置ハに切換わる。このとき、ブームシリンダ１４のヘッド側油室１４ａがタンクライン１９を介してタンクＴに、ロッド側油室１４ｂがポンプ１２にそれぞれ連通する。
【００３５】
２０はこの方向切換弁１３とブームシリンダ１４のヘッド側油室１４ａとをつなぐヘッド側管路、２１は同切換弁１３とロッド側油室１４ｂとをつなぐロッド側管路で、ヘッド側管路２０に、保持弁として機能するパイロットチェック弁２２が設けられるとともに、両側管路２０，２１に両側油室１４ａ，１４ｂの圧力（シリンダ１４に作用している外力の方向）を検出する圧力センサ２３，２３が設けられている。
【００３６】
２４は方向切換弁１３及びパイロットチェック弁２２のパイロット圧源としてのパイロットポンプ、２５はこのパイロットポンプ２４を駆動するパイロットポンプ用電動機、２６はパイロットチェック弁２２を開閉制御する電磁弁で、コントローラ１６からの信号によってこの電磁弁２６が図右側のオフ位置イから左側のオン位置ロに切換わったときにパイロットチェック弁２２がパイロット圧によって開く。
【００３７】
なお、図１中、２７はメインリリーフ弁、２８はパイロット圧源用リリーフ弁、２９はポンプ１２とタンクＴとの間に設けられた逆流阻止用のチェック弁である。
【００３８】
次に、このブームシリンダ回路の作用を説明する。
【００３９】
Ａ．通常作業時
前記したように通常作業時には、ブームシリンダ１４にはブームを含むアタッチメント重量と負荷の合計重量による外力Ｗがシリンダ縮小方向の力として作用し、この外力Ｗによってヘッド側油室（斜線を付して示している）１４ａに圧力が立っている。
【００４０】
この状況は、圧力センサ２３，２３からの圧力信号に基づいてコントローラ１６で検出される。
【００４１】
この状況下でシリンダ１４を伸長・縮小させるときは、操作体１７の操作に基づくコントローラ１６からの電気信号によって方向切換弁１３の第１ソレノイド１３ａが通電されて同切換弁１３が第１の位置ロに切換わる。また、電磁弁２６も通電されてオン位置ロに切換わる。
【００４２】
これによって、前記のようにシリンダ１４のヘッド側油室１４ａがポンプ１２に、ロッド側油室１４ｂがタンクＴにそれぞれ接続される。
【００４３】
このとき、操作体１７がシリンダ伸長方向に操作された場合には、コントローラ１６からの信号に基づいて電動機１１が正転回転、すなわち、ポンプ１２が本来のポンプ作用を行う（油を吐出する）方向に回転し、ポンプ吐出油がシリンダ１４のヘッド側油室１４ａに供給されるとともに、ロッド側油室１４ｂの油がロッド側管路２１、方向切換弁１３、タンクライン１９を介してタンクＴに放出される。
【００４４】
これにより、シリンダ１４が伸長作動する。ただし、このときには動力回生作用は行われない。
【００４５】
一方、操作体１７がシリンダ縮小方向に操作された場合には、コントローラ１６からの信号によって電動機１１が逆転回転、すなわち、ポンプ１２が油を吸い込んでモータ作用を行う方向に回転し、ヘッド側油室１４ａの油がこのポンプ１２に吸い込まれる。このとき、ロッド側油室１４ｂにはタンクライン１９、ロッド側管路２１を通じてタンクＴの油が吸い上げられる。
【００４６】
こうして、シリンダ１４に縮小方向の外力Ｗが作用している状態でのシリンダ縮小時に動力回生作用が行われる。
【００４７】
なお、このシリンダ伸縮時に、電動機１１の回転速度を一定にして方向切換弁１３を少しずつストローク作動させることにより、シリンダ１４のインチング制御を行うことができる。
【００４８】
Ｂ．特殊作業時
油圧ショベルでは、ブームを下げてアタッチメントを地面に押し付けることによって車体を前上がりに浮かせた状態で足まわりの検査や掃除を行う場合がある。
【００４９】
この特殊作業時には、ブームシリンダ１４に、上記通常作業時とは逆に上向き（シリンダ伸長方向）の外力Ｗが作用し、ロッド側油室１４ｂに圧力が立った状態となる。
【００５０】
この状態でシリンダ１４を伸長させる場合は、コントローラ１６からの信号によって電動機１１が逆転回転するとともに、方向切換弁１３が第２の位置ハにセットされ、かつ、電磁弁２６がオン位置ロにセットされる。
【００５１】
この状態で、ロッド側油室１４ｂの油がポンプ１２に吸い込まれて動力回生作用が行われる一方、ヘッド側油室１４ａにはタンクライン１９、ヘッド側管路２１を通じてタンク油が吸い上げられる。
【００５２】
また、シリンダ１４を縮小させる場合は、電動機１１が正転回転するとともに、方向切換弁１３が第２の位置ハに切換えられ、かつ、電磁弁２６がオン位置ロにセットされる。この状態では、ポンプ吐出油がロッド側油室１４ｂに供給されると同時に、ヘッド側油室１４ａの油がタンクＴに戻ってシリンダ１４が縮小する。
【００５３】
このように、１ポンプで、かつ、動力回生作用を得ながら、ブームシリンダ１４を、通常作業時及び特殊作業時ともに２ポンプの場合と同様に作動させることができる。
【００５４】
第２実施形態（図２参照）
第１実施形態との相違点のみを説明する。
【００５５】
第１実施形態の回路構成によると、ブームシリンダ１４に縮小方向の外力Ｗが作用している状況下でこの外力Ｗを利用して動力回生作用を得ながら同シリンダ１４を縮小させようとする場合、外力Ｗが小さいとヘッド側油室１４ａに立つ圧力も低いため、ポンプ１２を回転させる力も弱くなり、十分な動力回生効果が得られない懸念がある。
【００５６】
そこで第２実施形態においては、この点の対策として次の構成をとっている。
【００５７】
方向切換弁１３に、中立位置イでシリンダ両側管路２０，２１を連通させる連通路３０を設けるとともに、シリンダロッド側管路２１にも、ヘッド側管路２０のパイロットチェック弁２２と同様に、電磁弁３１によって制御されるパイロットチェック弁３２を設ける。
【００５８】
この構成において、シリンダ１４に作用する縮小方向の外力Ｗが小さい状況でシリンダ１４を縮小させるときは、上記状況を圧力センサ２３，２３からの圧力信号によってコントローラ１６で検出し、このコントローラ１６からの信号によって方向切換弁１３を中立位置イのままで両パイロットチェック弁２２，３２を開く。
【００５９】
こうすれば、シリンダ両側油室１４ａ，１４ｂが連通路３０によって連通し、同圧となるため、ロッド側油室１４ｂにヘッド側圧力が加わることによってヘッド側圧力が高くなる。このため、この圧力の高いヘッド側油室１４ａの油をポンプ１２に送ることで十分な動力回生作用を得ることができる。
【００６０】
すなわち、外力Ｗの大小広い範囲で動力回生作用を確保することができる。
【００６１】
【発明の効果】
上記のように本発明によると、一つの油圧ポンプでブームシリンダを伸長及び縮小方向に駆動する１ポンプ構成をとるため、二つのポンプを用いる場合のような両ポンプの流量の過不足の問題が生じない。
【００６２】
しかも、ブームシリンダを外力の方向と同方向に作動させるときに、外力による圧力が作用する側のシリンダ油室の油をポンプに流入させて動力回生を行い、反対方向への作動時には、ポンプ吐出油を外力による圧力が作用する側の油室に供給することによって通常のシリンダ動作を行わせることができる。
【００６３】
すなわち、流量の過不足の問題が生じない１ポンプ方式をとりながら、２ポンプ方式の場合と変わらない動力回生運転及び通常運転を確保することができる。
【００６４】
また、請求項３の発明によると、ブームシリンダに縮小方向の外力が作用する条件下で、ブームシリンダの両側油室を方向切換弁を介して連通させるため、シリンダの両側油室が同圧となって、ヘッド側油室の圧力が高められる。このため、外力が小さい場合でも動力回生作用を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１実施形態を示すブームシリンダ回路図である。
【図２】  本発明の第２実施形態を示すブームシリンダ回路図である。
【図３】  動力回生作用を行う従来のシリンダ回路の原理構成図である。
【符号の説明】
１１  電動機
１２  油圧ポンプ
１３  方向切換弁
１４  ブームシリンダ
１４ａ  ヘッド側油室
１４ｂ  ロッド側油室
１６  コントローラ
２０  ヘッド側管路
２１  ロッド側管路
２３  シリンダ圧力を検出する圧力センサ
３０  シリンダ両側油室を連通させるための方向切換弁の連通路
【図１】
0005028729.tif 000002
【図２】
0005028729.tif 000003
【図３】
0005028729.tif 000004