Hydraulic Excavator Technology Systematization Study生田正治Masaharu Ikuta
■ 要旨
建設機械の代名詞である油圧ショベルは、産業革命期の蒸気エンジンの発明を機に欧米で開発された資源開発や土木工事用の機械式ショベルが油圧方式へ進化して生まれた。20世紀後半にイタリアで生まれた油圧ショベルをいち早く取り入れて国産技術で進化させ、世界の技術の潮流を作ったのは日本であると言っても良い。日本で国産化されて約50年になるが、今や世界の油圧ショベル市場において、技術面でも、販売面でもトップとなっており、輪出においては機械産業の中心的存在である。油圧ショベルの市場は世界的に見ても中国や途上国を中心にインフラ整備やマイニングなどの用途に向けて需要は拡大基調であり、今後も期待できる。油圧ショベルがこのように進化した背景には、終戦後の復興を早期に実施し、先進国に追いつこうとする国の施策があった。復興に当った旧建設省などの支援を受け、建設の機械化が促進された。そして油圧ショベルが国産化された時期には高度経済成長の波に乗り公共・インフラ工事や民間都市型工事を中心に油圧ショベルが多く使われた。海外技術導入時には油圧システムが未熟で動きもぎこちなかったが、このように油圧ショベルの需要が大きくなる中、日本人の技術者により次々に改良されて、人間の手のように細かな作業ができるまでに進化した。また主要構造物についても損傷部分の解析に基づく継続的な改善と材料の品質向上が相まって、耐久性が大幅に向上した。更にはメンテナンス性も向上して世界トップの製品となっている。1980年中頃には既に技術面では世界のトップに達していたと思われるが、その後も世界的潮流である省エネ技術や排ガスなどの環境負荷低減技術に継続的に取り組み、世界トップの技術を維持している。このように日本の市場で普及した要因としては、油圧ショベルが日本の狭い工事現場に適していたことがひとつ、もうひとつは油圧ショベルのメーカが多かったことから競争が激しく、少しでも性能が高くしかも安い製品でなければ売れないという状況があったことである。販売面、技術面で世界のトップに立った油圧ショベルではあるが、販売面では最近、中国や韓国の追い上げが厳しい。しかしこのような背景の中でも日本のメーカは、IT技術を駆使して販売後の機械の稼働状況、トラブルの発生状況をモニターすると同時に、顧客に対するメンテナンスのアドバイスの提供など、顧客に最大限貢献できる技術を開発して差別化することで市場をリードし続けている。一方国内では、油圧ショベルの動作が人間の腕と相似しており、一般の機械に比べて複雑な動作を人の何十倍の力で行える機能を持っていることから、２つの腕を持つ双腕型ショベルや遠隔操縦型ショベルなどが市場に出てきて、災害復旧などで活躍し始めている。まさに人間型ロボットへの進化の途中とも言える。本論文は、油圧ショベルが生まれてから半世紀の間に日本の技術で世界のトップに立った背景、進化の過程や内容を記載している。これが読者の参考になることを期待している。
■ Abstract
Hydraulic excavators, one of the most widely-used pieces of construction machinery, evolved from the mechanical shovels developed in the Western world for use in mining and civil engineering works the invention of the steam engine in the Industrial Revolution. While hydraulic excavator first appeared in Italy in the late 20th century, it was Japan that quickly introduced and developed it using domestic technology, and turned it into a global trend. Fifty years after domestic production started, Japanese hydraulic excavators rank first in the world, both technologically and commercially. They are also one of Japan's key machinery exports. Hydraulic excavators are in high global demand, a trend that  should continue, as more infrastructure development and mining are expected in China and other developing nations. Underpinning the evolution of the hydraulic excavator in Japan was the eagerness of the government at the time to quickly recover from World War II and catch up with the developed nations. The use of machines on construction sites was encouraged by the former Ministry of Construction, which was in charge of post-war rebuilding efforts. By the time domestic production of hydraulic excavators began, these machines were already being widely used in many public and infrastructure works as well as private city building projects amidst rapid economic growth. When the hydraulic system first arrived in Japan, it was still in its infancy and was incapable of smooth movement. Faced with a growing demand for the hydraulic excavator, Japanese engineers worked to successively improve the technology to the point where it could perform as detailed operation as a human hand. The durability of the main structural parts also significantly increased, thanks to advances in materials and continuous efforts for improvement based on analyses of damaged parts. as result, with improved maintainability, Japanese products is became highest quality in the world-class product. By the mid-1980s, Japanese hydraulic excavators were the most technologically advanced in the world. Even today, engineers continue to offer cutting-edge technologies, continually working on new ways to reduce their environmental load such as conserving energy and reducing emissions, in line with global trends. Hydraulic excavators became popular in Japan for two reasons: firstly, the equipment was compact enough to fit on small construction sites in Japan, and secondly, the market was very competitive–with so many manufacturers producing hydraulic excavators, they had to deliver very good products at low cost in order to survive. While Japanese hydraulic excavators account for the highest sales and most advanced technology in the world, Japan's commercial lead in the field has recently been threatened by China and South Korea. Nonetheless, Japanese manufacturers continue lead the market, standing out from the competition with their customer-oriented technologies, using information technology for after-sales monitoring of machines, checking on the operating status, checking for any problems and offering maintenance tips to customers. Hydraulic excavators move like human arms and can perform complex operations that no other machines can do, with a power far greater than that of humans. It is because of these characteristics that new types of hydraulic excavators are emerging in the domestic market, such as two-arm excavators and remote-controlled excavators, which are playing key roles in disaster areas. These new types of excavators may be taking us one step closer to humanoid robots. This paper discusses the background and details of how Japanese technology came to produce the most technologically advanced hydraulic excavators in the world in just half a century after their conception. It is the hope of the author that readers will find this study a useful reference.
■ Profile
生生田国立科学博物館産業技術史資料情報センター主任調査員
建設機械が日本に導入されたのは明治期であり、海外からスチームショベル等を輸入して主に河川改修工事などに使用していた。また建設機械産業が本格的に育ち始めたのは1939（昭和14）年に始まる第二次世界大戦前後で、戦争準備のための資源開発が進んだ頃といわれている。時は移り、その後、戦後復興のために適駐軍の払下げのプルドーザやショベルなどが使われるようになった。1948（昭和23）年に建設省（現：国土交通省）が発足して建設機械整備費が認められ、払下げ機などの整備が盛んに行われた。戦後の国土復興には建設機械はなくてはならないものであり、これを契機に建設機械の国産化が官民協力のもとで進められた。この時、エンジンは戦時中に技術開発してきたディーゼルエンジンが採用された。戦後の日本の復興に建設機械が果たした役割は大きい。特にダムを中心とした治山・治水工事や食料増産のための開墾・干拓に始まり、その後の高速道路網、トンネル、長大橋、下水道などのインフラ整備や住宅建設などには建設機械が大きく貢献している。そのような背景の中で1961年に初めて油圧ショベルが国産化された。1947年にイタリアで生まれた油圧ショベルの技術を利用しての国産化であったが、国産化された4年後には、設計から調達、製造に至るまですべてが日本製になる純国産化製品が開発された。その後多くの会社が油圧ショベルの開発に着手した。そして日本でのアジア初のオリンピックやこれと時を同じくする高度成長に伴って都市インフラ整備が盛んになると、使いやすい油圧ショベルへの需要が高まり、国内で普及して行った。当時、掘削機の主流であった機械式ショベルは運転が難しく機械も大きかったことと、地面より下を掘削するには適さない機械であったため、それらの問題を克服した油圧ショベルがまたたく間に普及して約10年で標械式ショベルに取って代わった。油圧ショベルが国産化された頃は、装置の動きがぎこちなく耐久性も悪かったが、各メーカが販売を伸ばすために、国内競合メーカとの撤烈な開発競争を展開したことにより、各社独自の油圧システムを完成させ、優秀な製品を世に送り出してきた。日本人は繊細な民族であり少しでも使いにくい所があったり、壊れやすい機械だったりするとクレームをつける、これに充分に応えないと次に買ってくれなくなったりする。そのためユーザからの意見や要望を取り入れての改良も重要であった。この結果、日本の油圧ショベルの技術は飛躍的な進化を遂げ、1980年代半ばには技術的には世界のトップになっていたと考えられる。国内で技術進化を遂げた日本製油圧ショベルは、現在では海外生産分とOEM（相手先プランド名製造）を含めれば実質、世界の約80%を占めるまでに成長している。この怠成長が成し遂げられた背景には、技術者たちの弛まぬ努力と油圧機器メーカとの協力があった。油圧ショベルは上述のように日本で発展を遂げ、日本製が世界を席巻している。薬界特有の事情があり、その状況下で技術を積み上げてきた。そこに日本独自の技術開発形態のひとつを見ることができるし、系統化に相応しい技術発展事例である。このことを念頭におきながら、第２章で油圧ショベルの概要を、第３章では油圧ショベルの誕生から日本における進化の背景を述べ、そして第４章でその過程における技術面の開発状況と発展について述べている。さらに第5章においては1980年代半ば以降に油圧ショベルが更に普及する要因となった応用技術について記載している。現在、建設機械の約60％を占めている油圧ショベルは、安全性や環境面で国際規格に適合していることは当然であるが、むしろ技術先進国の日本としては、現状に満足することなく世界をリードして行く使命を帯びている。そこで第５章で油圧ショベルの安全や環境に関連する変遷と対応、更には最新の省エネ型油圧ショベルなど今後の普及に繋がるテーマについて記載した。
油圧ショベル（図2.1参照）とは、油圧を利用して作動する複数関節の腕の先端に、パケットを付け、掘前などの用途に使われる自走式の建設機械である。なお、パケットの代わりに作業内容に応じて様々な作業装置(アタッチメント)を装着して使用することができるが、これらも含めて広義に油圧ショベルと言っている。油圧ショベルが普及する以前には、ウインチとワイヤーロープを利用して、アームなどを動かす機械式ショベル（図2.2参照）が普及していたが、この場合油圧ショベルとは反対にパケットを前に押し出して掘前を行うことから、前方に押し出す場合のみ強い力が出せる機構であった。油圧ショベルは当初、土木工事用で土砂の掘前運搬用として開発され使用されていたが、現在ではアタッチメントを付け替えて解体作業や林業作業など幅広い作業で使用されている。
2.1名称の変遷
油圧ショベルは、英語ではエクスカベーター (Excavator)と表現されているが、日本ではいろいろな呼び方がある。昭和36年（1961）に新三菱重工薬（現キャタビラージャパン）が、（仏）シカム社と技術提携してユンボY35を始めて国産化したが、この時の商標であるユンボが油圧ショベルの代名詞となり長く使われるようになった。因みにユンボとは愛称で、ジャンボ(大象)の子供(小象:仏語)を意味する。その後、1990年代に入ってから薬界団体である社団法人日本建設機械化工業会（以後、(社）日本建設機械化工業会）により、新たに「油圧ショベル」と言う薬界統一名称が制定されて現在に至っている。一方、労働安全衛生法関連法令においては車両系建設機械の中の掘削用機械に該当し、その中で「ドラグショベル」と定義されている。従って、油圧ショベルに関連する法律や通達等では、この名前が正式名として使用されるが、日常的にこの名前を使用することは少ない。またこれ以外にも、パックホー、パワーショベル、ショベルカーなどと呼ばれることもある。
2.2 建設機械における
油圧ショベルの位置付け
日本における建設機械は、業界団体である（社）日本建設機械工業会により表2.1のように分類されていなる。
この表に示すように油圧ショベルは、土工機械の中の「一般土木機械」に該当する。一般に、油圧ショベルと言うと車体重量が6t～40t級までの中型油圧ショベルを差すことが多い。同じ形状や機能を持つショベルで車体重量6t以下を「ミニショベル」、40tを超えるものを大型油圧ショベルと区分している。2009年度の建設機械主要10製品の出荷金額合計は約1兆700億円であり、そのうちミニショベルと中型油圧ショベル合計で全体の約48%を占めている。((社)日本建設機械工業会HP : 2009年度出荷金額構成割合）このように油圧ショベルが1961年に国産化され、怠成長し、建設機械の主力機械になった理由は以下の通りである。 ①他の建設機械に比べて、フロントアタッチメント（作業部）が３関節構造で、更に本体の旋回（回転）や左右個別の走行動作も同時に行うことから、人間の動作に近い動きが可能で、複雑な作業が容易にでき且つ多用途に使用できる。 ②油圧を利用して駆動制御され、人間の数10倍から数100倍の高パワーが出せる。 ③運転操作が容易である。などであるが、同時に日本の市場で成熟した理由としては、以下の努力が上げられる。 ④徹底した経済性の追求⑤サービス性、耐久性を追求した品質の改善⑥作業の目的に応じたアタッチメントの開発このように油圧ショベルは、その構造的な特徴と技術者による弛まぬ努力により建設機械を代表する製品となっている。そして日本で成熟した油圧ショベルは今や世界のマーケットの中でトップとなっている。 (図2.3参照) 2007年の世界の全建設機械の総販売台数はおよそ100万台と言われているが、そのうちで油圧ショベルは、図に示すように約21.3万台となっており、約5台に1台は油圧ショベルとなっている。しかし日本国内では、海外と比較して資源開発が少なく、インフラ整備が多いことなどから、油圧ショベルが圧倒的に普及して建設機械の約6割を占めるまでになっている。 1990年の世界での実績は、約9.4万台であるが、その約6割弱が日本国内であった。しかし2007年には、途上国などで約10倍、欧米でも2倍以上の急成長を遂げるに至ったが、その実績に占める油圧ショベルの80%が日本の技術で進化したものと言われている。世界の需要で見れば日本だけが景気低迷等で需要が低下している状況である。
2.3油圧ショベルの分類
油圧ショベルは、フロントの先に掘前用のバケット(シャベル)を装着して、これを油圧駆動することにより土砂を掘削する機械として開発された。欧州で開発された油圧式ショベルを日本が国産化し、進化発展させて現在に至っているが、その間に市場ニーズに応じてシリーズ化され、今や一般に言われる油圧ショベル(ミニ、中型、大型含む）は、製品重量で見ると0.5t～ 800t級まで製造されるようになっている。一方形状は、 3関節を持つフロントと掘前用パケットを装着した外親形状が基本で国産化当初とほとんど変わっていない。しかし進化と共に種類が増え、また旋回体は使用現場に合わせて多くの種類が開発されてきたことから現在では、以下の各項に示すように分類されている。
2.3.1 重量別分類
油圧ショベルの車体重量による分類は、表2.2のようになっている。
表2.2  重量別分類（出典： (社)日本建設機械工業会規定)
2.3.2 最小旋回半径からの分類
日本では、狭い道路などで使用する場合の旋回時における周囲作業員への安全配慮から、旋回時の、ミニショベルを中心にした後端半径を小さくしたいとのニーズに対応して、小旋回形が普及してきている。これらの背景から、旋回半径により表2.3のように分類がされている。なお表2.3の基準内容については図2.4を参照していただきたい。

2.3.3 業種別製品分類
油圧ショベルは、時代とともにニーズが変化して土木関連作業以外にも多く使用されるようになってきた。それに応じてフロント部やアタッチメントなどを変更した様々な薬種専用の機械が登場してきている。主な薬種別製品を分類すると表2.4のようになる。
以上のように油圧ショベルは、国産化されてから約50年の間に進化を遂げ、当初は土木工事主体で使われていたものが、その機能及び操作性の良さなどから多くの薬種及び分野で使用されるようになった。国産化当初は掘削・整地・運搬機能に限られていたが、現在ではアタッチメントの進化と相まって、解体、把持、分別、吊荷、吸着、ハンドリングなどの目的でも多く使用されている。図2.10 地雷処理機（日建BM307） (出典：日立建機)
2.4油圧ショベルの基本構造
油圧ショベルの基本標造は、図2.11に示すように下部走行体、上部旋回体、フロントアタッチメントに大別される。図2.11  油圧ショベルの基本構造（写真出典:コマツ）下部走行体は左右クローラ（履帯）を持ち、それぞれのクローラ部には減速機付き走行モータや上下ローラ及びフロントアイドラ等が配置され、走行モータを駆動させることにより左右のクローラが独立して駆動するようになっている。左右の走行体はフレームで連結されており、そのフレームの中心部に上部旋回体を回転させる旋回ベアリングを配置している。上部旋回体に固定された旋回モータ（図示無し）を回すことによりモータ先縮部ビニオンが噛み合った旋回ベアリングの内輪を介して上部旋回体を旋回させる。下部走行体と上部旋回体の中心部には、センタージョイント(油圧回転ジョイント)を取付けて360°回転しても、上部旋回体側から走行モータに作動油を供給できるようにしている。上部旋回体は旋回主フレーム上にエンジン、ラジエータ、燃料タンクなどエンジン関連部品と油圧ポンプ、コントロールパルプ、油圧タンク、旋回モータ、作動油クーラ、油圧フェルタ、油圧配管等の油圧システム部品が配置されている。なおエンジンと油圧ポンプは直結され、さらにエンジン用ラジエータと作動油用クーラを並べて配置することにより効率の良い構造としている。(注記：一部図示無し)上部旋回体の左前部にはキャプ（運転席）、また後部にはカウンターウェートを配備している。油圧ショベルのほとんどが以上のような構造となっているが、一部ミニショベルにおいては、走行体に排土板を装備しているものも多い。またミニショベルの場合、フロントの根本部が左右にスイングする構造を装備して狭い場所での作業性を良くしている。フロントアタッチメントは、通常、フロントとアタッチメントから成り、前者はプーム、アーム、シリンダ等であり、後者はアーム先端に装着するパケットなどを言う。アタッチメントは作業に応じてビン２本で交換できる構造となっている。
2.5油圧ショベルの動作と作業範囲
2.5.1油圧ショベルの動作
標準掘削仕様の油圧ショベルの動作は、前後左右走行、左右旋回、プーム上げ・下げ、アームダンプ・クラウド、パケットダンプ・クラウドの動作で構成されている。その動きを図2.12に示す。掘前作業においては、フロント部３関節（プーム、アーム、パケット）の動作と旋回動作の組み合わせで作業を行う。走行は主に作業場所や、機械の移動時に使用するが、構造的には走行とフロント動作及び旋回動作を同時に行うことも可能である。また左右の走行モータは個別に動作することで走行時のステアリング動作を可能にしている。走行動作に関しては、片側の走行モータを停止してもう片側のモータを回転させると少し前進しながら方向転換するが、この動作を「スビーンターン」と言う。また左右走行モータをそれぞれ反対に動かすと、その場で方向転換するがこの動作を「ビボットターン」と言う。通常的には左右のレパーの操作角度を調整しながら緩やかに方向転換することが多い。これらの基本動作を行うための油圧系統の代表的な例を図2.13に示す。エンジンに直結されたメインポンプから吐き出された高圧油は、それぞれのコントロール用パルプに送られる。パルプからの高圧油はそれぞれフロント部を動作するプーム、アーム、パケットシリンダと旋回用モータにつながれている。走行モータへは複数の高圧ポートを持つ回転ジョイントを介してそれぞれ接続されており、これにより左右走行モータを個別に動かすことが可能となっている。掘削動作を行う場合はフロント部の３系統のバルプを複合的に動作させる必要があるが、同時操作が可能なパルプ構造になっている。走行回路に関しては、左右のポンプ・バルプを個別に使用するようにしている。エンジンには、低速大トルクが求められることからほとんどの場合、軽油を用いたディーゼルエンジンが使用されている。操作をしていない場合でもポンプからパルプには油は流れているが、パルプを動かさない限りタンクに戻っている。パルプの切替えや制御は運転席に配置された操作レパーで行う。
2.5.2油圧ショベルの作業範囲
油圧ショベルの機能には掘削・積込み・運搬があるが、掘削動作は主に地面より下の部分を掘削することが多い。また積込みは掘削した土砂を本体の側部又は後部に配したダンプカー等に上部旋回体を旋回させて行う。油圧ショベルが一つの場所で作業できる範囲は、機械の大きさや仕様で決められおり、その作業範囲能力は、図2.14のように表現されている。油圧ショベルは、他の建設機械と違い地面より下の部分を掘削できるが図2.14の作業範囲で判るようにフロントを最大に動かすと自分の本体の下まで掘削ができる。従って掘り過ぎにより本体が転落したりずり落ちたりしないように考慮して作業することが重要である。 A:最大作業半径(掘削できる最大作業半径) B:成大掘削深さC :最大垂直掘削深さ(バケットで垂直な壁掘削可能な深さ) D:最大掘削高さ(バケット爪先の最大上げ高さ) E:最大ダンプ高さF:最小ダンプ高さG :フロント最小旋回半径(旋回可能な前方側半径)図2.14  油圧ショベルの作業範囲
2.6油圧ショベルの運転操作
2.6.1  操作レバーの配置
油圧ショベルの運転席はミニショベル等の１部を除いてすべて左前側に設置されている。内部には腰掛シート、操作レパー、ロックレパーや運転用モニタ類が配置されている。 (図2.15参照)運転者は、運転席に乗り、腰掛けて左右の手を使い操作する。ロックレバーは運転席に乗り降りする際に体が操作レパーに触れても機械が動かないように配置されているもので、着席してからロックレパーを運転可能側に切り替えて（レバーを下げる）使用する。操作レバーは、国産化された当時は４本であったが、現在は２本（左右の操作レパーが前後左右に動く）が殆どと言って良い。レバーの操作方向は、メーカにより違いがあって統一されていないが、JISでレバーの操作方向を規定して、ユーザの要求が無い場合はJISレパー仕様で提供するように指導している。図2.16にJIS操作レパーの操作方向を示す。通常、2本の操作レバーでフロントの動作と旋回動作を行う。走行は２本の手を走行レパーに持ち替えて動作する。フロントの動作と走行動作を同時に行う場合は、走行レバーの下側に装着しているペダルを足で前後に踏んで走行を行う。このように走行を除いてフロント及び旋回動作を２本のレパーで行うものを「2本レパー式」と呼んでいる。2本レパーの場合は前後左右に片手で操作するが、掘前作業等においては複合で行う必要があることから斜めに動かすことで2系統の動作を１本のレパーでできる構造となっている。
2.6.2掘削の基本動作
油圧ショベルのパケットを使用しての代表的な作業である「土砂掘前」と「地面ならし作業」でのパケットの動作を図2.17に示す。掘削動作では、プームを②のように下げながらパケットをアームで①のように引き、更にリンクビンをパケットシリンダで③のように押し出して土をすくう。また、地面のならし作業ではパケットをほぼ垂直にしてアームを④のように引くと同時にパケット先端部が水平に動くようにプーム先猫ビンを上げ下げする必要がある。このように油圧ショベルの操作においては、複数のレパーを同時に動かすことが必要になり、機細な操作が求められる。このようなことから日本においては運転資格制度が制定されている。しかしながら運転は微妙な動きが求められ熟練が必要である。同時に機械にも「動きが良く使いやすい操作レバー」や「複合動作でも怠な速度変化の無い油圧回路」などが要求される。
2.7油圧装置及び油圧ショベルの特徴
油圧ショベルとは、エンジンの回転バワーで油圧ポンプを回し、発生する油圧力と流量を利用して各動作を行うものである。この油圧技術が生まれたのは20世紀初めに石油が発見された後の1905（明治38）年と言われている。約100年前である。日本においては昭和30年代後半から40年代に急激な発展成長をしてきている。ショベルに油圧技術が採用され始めたのは1960年代初期である。その後油圧ショベルの進化とともに油圧技術も大きく発展してきている。以下に油圧装置の特徴とそれを利用した油圧ショベルの利点と特徴について述べる。
2.7.1油圧装置の特徴
油圧ショベルに採用されている油圧装置の特徴としては(長所) ・比較的小型の装置で大きな出力を出すことができふ・速度制御が無段階に簡単にできて円滑な作動ができる。 ・力（圧力）の制御が正確且つ容易にでき、過負荷防止が簡単である。 •耐久性に優れている。 ・電気制御と組み合わせることで、手動・半自動・自動化や遠隔操作が可能である。 ・作動油自体に防錯・油潤滑効果があり機械内部の摩耗が少ない。 (短所) ・配管が電気に比べ面倒で手軽にできない。 ・油漏れの心配がある。 ・温度により油の粘度が変化するため低温でエネルギーロスが大きい。 ・油が燃えるので火災の危険性が高い。このように油圧には長短両面があるが、機械式に比べた場合、油圧の長所が油圧ショベルの発展を促し、油圧機器メーカの協力も得て開発され進化してきた。
2.7.2油圧ショベルの利点と特徴
油圧ショベルには多くの油圧技術が採用されているが、その利点とそれに関連する機器類を、表2.5に示す。
油圧技術の利点を活用した油圧ショベルには以下の特徴がある。
(1)バワー密度（出力/重量）が高いので小型化が可
能で効率が良い
油圧ショベルで使用される油圧機器のパワー密度は、他の機械部品や電機部品にくらべて非常に大きい。使用されるアクチュエータ（入力エネルギーを物理的運動に変換するもの）の代表として、油圧モータ（回転運動）と油圧シリンダ（直線運動）があるが、油圧シリンダの場合、わずか150 mmの直径でも34.3MPa（350kgf/cm²）の圧力で使用すれば約62tonの力を出すことができる。空圧や電気方式ではとてもできない。さらに油圧の場合瞬時に切替えができ、応答性も良い。同様に油圧ポンプや油圧モータも電動モータに比較して低回転高トルクであり、大トルクを必要とする油圧ショベルには最適である。またバワー密度が高いので、機械式ショベルに対し小型化が可能である。
(2)動力分散や伝達が容易にできる
油圧ポンプで発生させた圧油は油圧ホースでコントロールバルプに送られて分配され、配管や油圧ホースで各アクチュエータへ送られる。接続を配管やホースで行うため各アクチュエータは任意の場所に設置できる。また必要に応じてバルプやポンプの追加も可能であり、多種のアタッチメントの装着も可能となる。アクチュエータ毎に一つの切替えパルプを使用するが、それぞれに複数のアクチュエータを同時に動かすことが出来るようにパルプの内部回路は構成されていな。
(3)速度制御が容易にできて応答性も良い
油圧ショベルに使用するコントロールパルプは、通常スプールの出し入れで方向と流量を創御できるようにしている。バルプ内の高圧回路に接続するスプールの前後の動きで接続面積を変化させて流量（速度）を創御している。このことから操作レバーの傾動量にスプールの動作量が比例するようにパイロット油圧又はロッドで繋がれる。油圧は圧縮性が高いことから、ロットで接続されると同様にレバー動作に機敏に反応するので応答性も良い。
(4)過負荷防止が個別に関単にできる
油圧ショベルのコントロールパルプには、通常メインリリーフパルプが装着されている。このバルプは、シリンダなどアクチュエータに掛かる圧力が動作時に規定以上に大きくなったりした場合に、作動圧を逃がすための機能を有する。またシリンダやモータが停止した状態でショベルに外力が掛かり、アクチュエータ及び油圧回路内に異常圧が掛かった場合に備えて、回路やアクチュエータを保護するためのオーパーロード用リリーフパルプ（異常高圧回避安全弁）が必要に応じて装着されている。このように油圧ショベルは大地を相手に作業をすることから常に過負荷が掛かることが想定されるため、上述した２つの目的のための安全弁を個別に装着している。同様なことが油圧モータついても考えられることから、この場合は、モータ自体にプレーキパルプを装着して過負荷を防止している。
(5)メカトロ化対応も可能
油圧ショベルが国産化されてしばらくは、電子技術は油圧ショベルには、ほとんど使用されていなかった。しかしその後の技術の進歩により、現在では油圧ショベルのポンプ流量制御やエンジン制御などで電子創御が多く使われるようになった。さらに最近は情報処理技術なども使われるように進化してきている。油圧と飼御技術は相性が良くメカトロ化に適している。現在の油圧ショベルのほとんどは、メイン(動力)系とパイロット系の２系統あり、パイロット系の低圧小流量でメイン系大流量回路を動かすシステムを取っている。ポンプやバルプなどの制御を行うバイロット系を電子制御することでメカトロ化が容易にできる。
(6)メンテナンスが容易である
油圧ショベルの稼働時間に相応して摩耗する部分として、走行部のアイドラ、ローラ、フロント部各ビン及び掘削パケットなどがある。これらに関しては国産化された頃に比べ、給脂部の無給脂化が図られて、現在ではパケットを除けば、日常の給脂点検を行っていれば、ほとんど分解定期整備（オーバーホール）は不要である。また油圧機器についても作動油の汚れや量を点検し、規定された時間ごとにオイル・フィルタを交換すれば、ほとんどメンテナンスが不要なまでに耐久性が向上している。一方整備を行う場合でも油圧ショベル標成部品はユニットで比較的容易に着脱でき、現地で直ぐに復帰できるようになっている。更に現在では、油圧やエンジンなど動力系の異常情報は、 IT情報化されGPSデータで離れた場所から把握できるようになってきている。以上のように油圧ショベルは油圧技術の特長や利点を生かし、建設機械の主役になっている。日本の市場で成熟して普及した要因を上げると以下のようになる。 ①他の建設機械には無い多くのアタッチメントを有し、多用途の使用ができる。 ②小型（車体重量0.5t）から大型（車体重量850t）までシリーズ化されている。 ③故障も少なく経済性が高い、またサービス性も良い。 ④バワープラントとしての使用も可能で応用性が高い。

3.1油圧ショベルの誕生
3.1.1　機械式ショベルの歴史
建設機械は、もともとその名前の通り建設用の道具や器具が機械に進化したものである。その歴史をたどれば、それまでは牛馬などを動力源として行っていた建設工事が、18世紀後半（産業革命時代中期）に英国で高性能な蒸気機関が発明され、その後、列車、船創、建設機械などに蒸気機関が使われはじめたことに猫を発する。その中で油圧ショベルの元となる機械式蒸気ショベルは、1838年、W.S.Otis（米）によって開発されたと言われている。その構造はレール走行式で作業部が180度旋回する方式であった。 (図3.1参照)その後1884年に、Whitaker（英）が、初の全旋回式ショベルを開発し、3年後にマンチェスタ選河工事で大量に使用された。ほぼ同じ頃の1886年にもOsgood（米）が全旋回式ショベルを造っている。その後、ディーゼルエンジンが使われ始める1930年頃までの一世紀にわたり蒸気式ショベルが鉄道工事や鉱山開発または大型工事などで活躍した。図3.1   世界最初の機械式蒸気ショベル（1938年）一方、1903年にThew Lorain Shovel社（米）により初めて電気ショベルが開発され、その後、海外及び国内において、大型のショベルのほとんどは電動式が採用されている。更に、1912年に初めてクローラ式パワーショベルが開発され、レール走行式に比べ移動が容易になった。また1914年にガソリンエンジンを搭載したショベルが、P&H社（米）によって開発されたが、その後1930年代にはエンジン特性の違いからディーゼルエンジンに替わっている。日本における建設機械の導入は、明治の初め頃から始まり、生糸、石炭、造船などの運輸インフラのための港湾、運河工事、鉄道工事などで海外の浚渠機や前岩機などが導入され、機械力での工事が行われるようになった。そして明治29年（1896）に河川法が創定され、淀川や利根川改修工事などで本格的な機械化施工が始まった。中でも明治42年（1909）から始まった信濃川大河津分水工事においては、仏製ラダーエキスカベータや掘前土砂を運搬する傾斜式土運車（鍋トロ）などが多く使われた。この工事の後半に初めて英国製スチームショベルが輸入され使用された。第一次世界大戦が始まった翌年の大正４年(1915)にBucyrus社（米）のスチームショベルを大倉組が南満州鉄道撫順炭鉱の露天掘り用で輸入して使用している。この頃から大型土木工事や鉱山などの大型掘削においてスチームショベルが輸入され多く使われるようになった。撫順炭鉱で使われた採掘機械は世界最先端設備であり、この現場に大正13年（1924）、 Bucyrus社（米）の電気ショベル103Cが投入された。これに刺激を受け、神戸製鋼が昭和５年（1930）にBucyrus50Bをモデルにした国産初の電気ショベル50K（図3.2参照）が開発された。昭和初期の大恐慌により雇用確保の親点から機械化は一時中断になるが、第二次世界大戦における資源開発で再び機械開発も活発化して日立製作所（現日立建機）の大型電気ショベル120H（図3.3）や小松製作所(現コマツ)の国産初のプルドーザ（図3.4）などが開発された。戦後になり、昭和23年（1948）に建設省が新設され、建設機械整備費が予算化され、在来の機械も整備して国土復興に役立てると同時に、戦時中に技術開発してきた国産ディーゼルエンジンを搭載したプルドーザや機械式ショベルの開発と国産化も始まった。そして昭和24年（1949）には神戸製鋼所（現コベルコ建機）から15K（図3.5）、日立製作所（現日立建機）からU05（図3.6）が発売され、この後、昭和50年代まで機械式ショベルが進化替及する。これらの機械式ショベルは、主にインフラ整備等で多く使用され国土復興に貢献した。また昭和26年（1951）には電源開発が設立され、水資源活用と発電のための大型ダムの建設が始まった。昭和28年（1953）に着工した佐久問ダムは日本で初めて機械化施工が導入されたダムと言われている。しかしこれらの工事で使われたショベルは、 Bucyrus（米国）150B電気ショベル等であり、まだ日本での大型ショベルは無く、昭和32年（1957）に日立製作所が開発したU23電気ショベルが最初である。このように、戦後復興に伴い、機械式ショベルを始めプルドーザやダンプなど建設機械の国産化は、戦後に活発化してきたが、技術的には、まだまだ海外製品の方が優位であった。
3.1.2  油圧ショベルの誕生
油圧ショベルは、蒸気エンジンを利用した機械式ショベルが開発されて110年後の1948年にCarlo  & Mario Bruneri兄弟（伊：後に仏SICAM社に特許譲渡）によって初めて開発された（図3.7）。遅れて1951年にPoclain社（仏）が、傘引式油圧ショベルを、 1954年にはデマーグ社（米）も全油圧ショベル（図3.8)を開発した。海外で油圧ショベルが開発された当時、まだ日本は、機械式ショベルの開発をスタートした所であり、その後約10年遅れて1961年（昭和36）に、新三菱重工薬（現キャタビラージャパン）が海外との技術提携により、初めて国産化したのがユンボY35（図3.9)であった。昭和40年（1965）には、純国産技術により油圧ショベルUH03（図3.10）が日立建機から、またその2年後には加藤製作所からHD350（図3.11）と次々に国内主要メーカが油圧ショベルを開発し、市場投入してきた。機械式ショベルの場合は、ウインチとワイヤーロープを使って掘削パケットを動かすが、運転操作が複雑で操作レパーも重いことから熟練を要し、大変な疲労を伴うものであった。油圧ショベルの場合は機械式に比べ運転操作が簡単なことと操作も機械式に比べれば軽いこと、また日本の狭い現場でも使い勝手が良いことから次第に機械式ショベルに替わって普及していった。
3.2 日本における油圧ショベルの開発
昭和35年（1960）、貿易・為替自由化の大綱が決定され、9月から275品目の輸入自由化が発表され、産業機械の90％以上が自由化されることになった。これを契機に昭和36年（1961）以降、日本において油圧ショベルの国産化が本格化してきたが、技術的には海外には遅れをとっていたこともあり、海外のショベルメーカと技術提携して生産する会社が多く、純日本の技術で開発したのは日立製作所（現日立建機）と加藤製作所の２社であった。1960年代に油圧ショベルの開発・生産に取り組んだメーカ及びその概況を表3.1に示す。国内で初めて作られた油圧ショベルは新三菱重工業(現キャタビラー三菱）のY35である。（図3.9参照）
仕様は総重量8.3t、パケット容量0.25m³、エンジン(三菱KE36)出力36ps/1,800rpm、油圧95kgf/cm²、吐出流量120 ℓ  /minで、ギヤーポンプを使用した1ポンプ1パルプ方式（詳細は第４章で説明）であった。引き続いて1963年に油谷重工（1999年に合併してコベルコ建機となる）がフランスのポクレン社と技術提携による開発を行い、ホイール式油圧ショベルTY45を発売した。次の年の1964年には、日本製鋼所がドイツのO&K社と同様の開発で、RH5を発売した。翌年の1965年には、既に横械式で5,000台以上の納入実績の技術と経験を生かし、純国産技術で初めて日立製作所（現日立建機）がUH03を発売した。(図3.10参照）当時日立は、機械式ショベルを主力に製造しており、油圧ショベルの開発では、新三菱重工業に先を越されていた。油圧ショベルの需要が高まり、各社が海外メーカとの技術提携を進め、過当競争が始まった中、日立は「品質第一」、「純国産化技術による新製品の開発」という方針を掲げ開発を進めた。主な仕様は、総重量9.4t、エンジン（いすゞDA220）、出力58ps/1,800rpm、油圧140kgf/cm²、油圧システムもギヤーポンプを使用した2ポンプ2パルプ方式（詳細は第４章で説明）に改良されて使いやすく、先行の技術提携モデルを変駕するものであった。 1967年には、純国産技術で加藤製作所がHD350を、米国のリンクベルト社の技術で住友重機械工業がH200を、同じく米国のコーリング社の技術で石川島コーリングがスクーパ505K（走行と旋回は機械式でローデングフロントは油圧式）を、更に、米国P&H社の技術で神戸製鋼所がH208をと、国産メーカが次々に発売した。そして翌年には、ドイツのアトラス社との技術提携で久保田鉄工がKB30Rを、それまでプルドーザで先行していた小松製作所も米国ビサイラス社との技術提携で15Hを発売した。このように1961～1968年の8年間で欧州や米国で先行していた油圧ショベル技術が日本の市場に一気に導入され、熾烈な戦いが始まった。当時海外には、ドイツのリープヘル社、デマーグ社、イタリアのプリネル社（後のフェアット社）など、油圧ショベルを製造していた会社は他にも多くあった。その後、日本は高度成長期を迎え、建設機械需要は拡大して行くが、それまで掘削儀込み機械の主役であった機械式ショベルは徐々に油圧ショベルに置き換えられて行った。そして油圧ショベル国産化後15年程して生産中止となった。 (図3.12参照)一方油圧ショベルについては、各社が市場ニーズを捉えて製品の技術改良を積極的に進め、質、量ともに日本製が世界を凌駕するようになって行く。1973年頃から日本の技術で進化した油圧ショベルが海外に出て行くようになり、それまで進めてきた技術提携が足かせになって徐々に技術提携を解消して行くことになった。そして1970年代の終わり頃には日本メーカ全てが日本独自の技術で開発した製品へと変化させた。その後高度成長期を迎えて建設需要が高まり、油圧ショベルの普及に拍車がかかった。それまでの日本での土木工事は、国土復興のための治山・治水工事や食科増産などのための開墾・干拓工事が主流で、大型掘前機とプルドーザやダンプによる土量運搬が主役であった。
3.3  社会ニーズに対応した
油圧ショベルの進化
油圧ショベルの国産化が始まった頃は、高速道路網標築や下水道工事などがスタートした年代でもあった。このような社会背景から建設機械に関するニーズは大きく変化してきた。油圧ショベルの進化はこのような社会背景によるところが大きい。別紙添付資料に「社会の変化と油圧ショベルの主要技術開発の歴史」を示すので参考にして頂きたい。以下、油圧ショベルの進化を説明するに当たり、技術の発展に応じて、指籃期（戦後〜1977)、確立期(1978〜1985)、発展期(1986〜1999)、成熟期(2000年以降）に分けて述べる。 3.3.1戦後の日本経済は、約10年の復興期を経て、高度成長期（1955～1973）となっていたが、この高度成長を支えたのは鉄鋼、造船、自動車、電気機械、化学などの部門である。しかし一方では、この時期には食糧増産のための八郎潟開拓工事（1957～）や、従来からのダム建設（1960年代前半〜奥只見、御母衣、黒部など）に加えて、産業基整備としての河川、道路、空港、ビルなどの整備事業、更にはオリンビック(1964)に向けての新幹線工事や国立競技場などの工事が積極的に行われた。昭和37年（1962）には阪神高速、中央自動車道、また昭和40年（1965）には、国内最初の高層建築と言われている霞が関ビルの工事も始まった。このような背景を受け、国産化された油圧ショベルが多く使われるようになった。更に都市型道路工事や干拓工事での排水路工事などのニーズを受け、ホイール式の開発、又は湿地でも使用できる低接地圧型ショベル（三角シュー付き）など使用現場からのニーズに対応して新規開発などもあり、需要増加の一途をたどった。中でも低接地圧型ショベルは、従来プルドーザでは使用されていた三角シューを参考に、油圧ショベル用として開発され、干拓工事や田圃整備などで多く使用された。 1973年から始まった第１次オイルショック（石油危機）で1次的に需要が低下するもその後の景気対策を受け、更に需要は増加して70年代後半には建設機械産薬の売上高は１兆円を突破したが、その要因は油圧ショベルの増加であった。開発当時の油圧ショベルは、ほとんど車体重量10t以下の小型機であったが、油圧ショベルの掘る・吊る・運ぶ・ならすといった利便性の高さから、ニーズが高まり徐々にプルドーザからショベルに替わって行った。またそれに併せて、もっと大きな製品が求められるようになってきた。また当時は、エンジンやポンプなど建設機械専用機器はほとんどなかったが、油圧ショベルの生産台数増加に併せて、それぞれの専門メーカも開発に協力するようになってきた。そして昭和43年（1968）に川崎重工業で国産初の可変容量型ポンプが開発され、日立建機からそのポンプを搭載したUH06（16t級）が発売され、より大きな仕事が出来るようになった。この可変容量型アキシャルポンプの出現で油圧ショベルの性能が飛躍的に向上した。これ以降油圧ショベルのシリーズ化が始まり6t級、 40t級、23t、30t級と次々に開発された。更に大型ショベルでは1973年以降60t、100t、170t級が発売され、マイニング（採鉱・採掘）機械で先行する欧米を怠追する製品となった。また一方1971年には、より狭い現場に対応できる車体重量6t以下のミニショベルも開発発売された。昭和40年代は、先に述べたようにプルドーザ工法から油圧ショベルを使った工法への移り変わりの時代でもあった。油圧ショベルは土砂を運搬する機能は低いがダンプカーに積んで運ぶことで運搬機能が補完できることから怠激に普及が進んだ。これに伴い、国内油圧ショベルメーカも開発と販売に注力した。当時、国内での競合メーカは10社以上あり、熾烈な販売競争を余儀なくされた。特に日本のユーザは故障したら原因を発明しないと修理費を払ってくれない。クレームや值引き要請も多い。これらに対応できないメーカの製品や、故障が多く信頼性の低い機械は買ってくれない。このようなことから各メーカはクレームを分析し、改善すると同時に他社との性能比較を常に行い、より高性能な機械の開発提供に力を注いだ。従って当時は２～３年に１回モデルチェンジを行っていた。この時期における油圧ショベルの進化の状況を挙げると(1)油圧回路可変容量型2ポンプ2バルプシステムが確立し、複合性が大幅に向上した。 (2)走行性能が重視され、足回り部品無給脂化と走行モータ直結及びシューイン化（走行モータ部をリンクシュー幅内に格納してモータ部を保護する方法）などによる耐久性向上。 (3)基本仕様であるエンジン馬力、掘削力、掘削範囲、車体安定性及び総重量などは変化し続けた。 (4)エンジンでは予燃焼式から直噴式への転換による省エネ化がスタートした。などであるが、これらは単に本体メーカだけの力ではなく油圧機器メーカや部品供給メーカが密接にタイアップして研究努力してきた成果と言える。
3.3.2 確立期における技術の進化（1978〜
1985)
公共投資により第一次石油危機を乗り越えて一時景気回復したものの昭和54年（1979）から原油価格の高騰により第二次石油危機を迎えた。国内の景気は低迷し、政府の財政立て直し指向もあり建設投資が低遂した。土木建設工事費の低減を図るため、油圧ショベルにも低燃費や工期短縮のための作業量向上が求められた。このような背景から小松製作所は昭和57年（1982）に、省エネ油圧システムの第１弾として、ニュートラル時に発生するパワーロスを低減して省エネ化を図ったPC200-2を発売した。第２弾として、昭和59年（1984）には、世界で初めて油圧システムにコンビュータを組み込み、メカトロを駆使したエンジン制御システムを採用したPC200-3を発売した。他の各メーカも同様に省エネや低騒音化などの分野で革新的な技術を商品に折り込み、日本のハイレベルなエレクトロニクス技術は世界を凌駕していった。 1980年代の国内経済は、石油危機はあったものの全体的に見れば比較的、安定成長期であったと言えるが油圧ショベル販売は土木建設工事の縮小に伴い伸び悩んでいた。このような背景の中、ショベル製造の各メーカはそれまで結んでいた技術提携契約を解消して輸出に力を入れるようになった。しかし昭和59年（1984)、欧州市場において、欧州メーカからダンビング提訴をされ数10%のダンビング課税がかけられることになった。この対応としてEC委員会に提訴取り下げを申し入れると同時に機種ごとに最低輸出価格（フロアプライス制度）を決めることで解決を図ってきたが、この対応には５年間を費やした。しかしこのことは、既に日本製の油圧ショベルが技術的に欧州メーカに対して品質の高さでも優っているという証明でもあった。一方米国市場においては、管理設作業などで油圧ショベルが使われることが多かったが、当初は、力不足で旋回動作もギクシャクする、操作レパーが重いなどのクレームが発生した。これらの問題の解決を図るために、油圧システムの改良や油圧パイロット式レパーの開発などをいち早く行い、逆に評価を上げることができた。このように日本の「ユーザ意見を真摯に取り込み、改善を図る」と言う姿勢が海外においても評価される技術開発に繋がっている。当時も今も「クレームこそ宝の山」と言われる所以である。しかし海外事業は、その後、円高（1985）や貿易摩接などがあって、国内生産して輸出する直接貿易から、海外での合弁会社設立を含む現地生産や技術供与、そして製品の相互補完を含むグローパルアライアンスと進んで行くことになる。 1970年代にシリーズ化が完成した中小型油圧ショベルは、1980年代に入り技術開発の方向が、「シリーズ拡大」から「新たな市場環境に対する個々の技術開発」へと大きくシフトした。国内においては、建設工事に占める都市型工事のウェートが高まり、多様化、多機能化、低騒音低振動化などのニーズが一層高まった。また都市においては建築後60年近くたったビルなどを解体して高層化するためのスクラップ&ビルトの関連工事も出てきた。建設現場は3K（きつい、汚い、危険）現場などと言われ、これらを払拭するには高齢者や女性でも運転操作ができてしかも安全性の高い製品が求められるようになってきた。このような背景を受けた、この時期の国内における施工環境、要望、とそれに対する技術的対応の状況を表3.2に示す。
この時期に油圧ショベルを進化させた特筆すべき技術は以下の通りである。 (1)操作性の改良(新油圧システム（OHSシステム等)、油圧パイロット操作化） (2)省エネルギー技術(エンジンポンプ同時制御(E-P制御)、モード切替え、エンジンスピードセンシング（電子OLSSなど） (3)メカトロ化（省エネ、低騒音化、操作性向上、雑持修理費向上の支援) (注)（1）～（3）の詳細は第４章：主要技術の開発と発展を参照) (4)超小旋回型機の開発（ミニショベル～小型ショベルに波及) (5)多機能化(テレスコビック型深掘りクラムシェル、分解型ショベル、コンクリート破砕アタッチメント、自動車解体機、スライドアーム、マグネット仕様機、クレーンアタッチメント、ロング解体仕様懐などの出現)
3.3.3 発展期における技術の進化(1986～
2000)
1985年のプラザ合意を期に日本は円高不況に陥り、輸出産業は大打撃を受け町工場の倒産が統出した。このショックを和らげるために1986年に政府により、公共事業拡大などによる内需拡大策が取られた。併せて公定歩合引き下げや長期的な金融緩和策を打ち出した。この施策により長期寮気拡大が図られたが、一方では株価や土地の急激な上昇を生み出した。このバプル経済も1991年2月に崩壊することになるが、この間の約４年間は、建設機械の生産高は油圧ショベルを中心に大きく伸びた時期であり、GDPに占める建設投資額の割合は約19%までアップした。しかしバプル崩壊後は徐々に低下し、2000年には14％まで下がり、その後2004年頃には10％位までになっている。このようにパプル崩壊後は建設投資額の低下に伴い、国内ではスクラップ&ビルトの工事は増加してきたものの全体で見れば、民間需要の低下と公共事業費削減の影響を受け、それまで油圧ショベルを購入していたユーザも仕事量の縮小から購入が難しくなってきた。そこで工事で必要な時に機械を借りて使用する「レンタル」方式に変化してきた。これまでは３割強であったレンタル比率は、5割強へと怠増した。これに併せてミニショベルにおいても同様の傾向をたどってきた。 (図3.13参照)一方、輸出比率は1990年度23%であったが、その後の世界的な好況を受け1990年半ば頃には日本の油圧ショベルメーカの世界シェア（国内需要と日本から出荷したＯＥＭも含む完成車を合せた額の世界需要に占める割合）は一時、70%以上になった。しかしその後日本市場の縮小と海外での現地生産化により2002年頃には40%に低下した。この技術発展期における技術開発は、情報化、自動化、メカトロ化、レンタル化、低コスト化、環境規制、安全性の向上といった課題に応える方向で行われた。特に1990年に発生した雲仙普賢岳の噴火に瘍を発し、建設工事の無人化施工の機運が一気に高まった。そして1995年から油圧ショベルを中心とした、遠隔運転による無人化施工が始まった。これを契機に油圧ショベルが災害復旧用として多く使われるようになってきた。また1996年からは排ガス規制もスタートした。油圧回路はメカトロ技術を取り入れて省エネ化、複合性の向上などの面で進化した。更に運転席も転倒に対する安全性向上や視界性向上などの性能のみならず外親デザインも大きく進化発展した。これらの主な状況は以下の通りである。 (1)レンタルやライフサイクルを考慮した耐久性の向上（メンテナンスフリー、無給油プッシュなど） (2)機械の高級化（キャプ・ウェート・カバーなど丸型形状(図3.14参照)焼付け塗装、居住性向上等) (3)多機能化の進展(後方小旋回型ミニショベル登場、特別仕様機やアタッチメントの拡大、作業モード選択、ロードセンシング技術の発展） (4)環境関連規制への対応（排ガス１次規制対応、周囲騒音低減、EMC（電磁波）障害の低減、有害化学物質の使用排出制限、フロンガス使用制限と表示、リサイクル化の推進など) (5)電子化の進展（車体制御技術に加えモニタ表示や故障情報表示など) (6)安全性の向上（運転席転倒保護構造*'（図3.14参照）シートベルト装備、パックミラー、ゲートロックレパーなど）などである。またこの時期はグローパリゼーション対応としての世界統一仕様化や生産のグローバル化、アライアンスの促進などが図られた。なお将来を見据えた省エネ・低公告化建機の研究として電池式やハイプリッド式又は代替燃料式などの研究がスタートした時期でもあった。 * 1:ROPS=Roll-Over Protective Structures (JISA8910, ISO3471)
3.3.4 成熟期における技術の進化(2001 ～
2007)
2000〜2002年の日本経済は、第３次平成不況とも言われた。1997年のアジア通貨危機、金融危機の影響もあり、2001年のIT景気があったとは言え、経済はデフレ状態で厳しい状況にあった。一方世界を見ると2000年頃からBRICs（プラジル、ロシア、インド、中国）が経済的に台頭してきた。これを受けて2002年以降、世界同時好況となってきた。国内の需要はほほ横ばいで推移していたものの海外の需要に引っ張られて生産台数は増加した。建設機械全体で見ると2003年には、海外向け出荷台数が国内向けを初めて上回った。それに加えて、各メーカが、現地生産を進めていることを考慮すれば、日本の油圧ショベルは、圧倒的な比率で世界シェアをとっているといえる。各メーカは、「製品に対する、厳しい日本のユーザで評価された製品を海外で現地生産する」と言う海外戦略をとり、これが製品の信頼性向上をもたらし、海外ユーザの評価を徐々に向上させていったと言える。海外生産の進め方としては主要コンポーネントであるエンジン、油圧機器、電子部品、精密機械部品を日本から出荷して、それ以外の部品の製造や組立作業は現地で行うことで製品の機能や信頼性を担保している。この結果、1990年半ばでは70%であった世界シェアが、その後低下したものの徐々に復活し、2007年度には日本オリジン(完成車+ OEM +日本製コンポ搭載機）の油圧ショベルは約80％となっている。油圧ショベルの世界需要は1990年の9.4万台/年に対し2007年では21.3万台/年と2.3倍の伸びがあり、販路はBRICsをはじめアジア・オセアニアや途上国が特に多く、日本以外の全ての地域で伸びてきた。このような状況の中で、油圧ショベルに課せられる技術的課題とそれに対する開発技術としては以下の内容が上げられる。 (1)資源価格高騰による省エネ技術の推進（電動ショベル、ハイプリッド型ショベル、パイオ燃料の採用） (2)地球温暖化抑制のための排出ガス規制に対する対応（2001年2次規制、2006年オフロード法（3次規制）並びに2011年以降の規制への準備、エンジンインタークーラ、コモンレール式燃料噴射技術、クールドEGR技術などによる省エネ技術を含めた排出ガス低減技術) (3)高度情報通信を使ったグローパルな機械管理(KOMTRAXなどGPSを使用した機械や稼働の状態を世界規模で一元遠隔管理できるユーザサポート技術） (4)世界規格(ISO)に準じた安全な製品や世界に先駆けた視界性向上技術（転倒保護概造キャプ(ROPS)の促進や後方監視カメラ等)このように2000年以降では、日本の油圧システムは成熟して技術的に世界をリードしていると言って良いが、一方で環境面、安全面を中心に、将来に向けて世界の中でリードを保つ技術開発を積極的に進めている。油圧ショベルは、国産化当初は掘削積み込み機であったが、2000年以降災害復旧や地雷処理などにも使用されるようになってきた。今やロボット化が一番進んでいる建設機械となり、技術及び販売面で世界をリードしている。
3.4  開発技術のグローバル展開
1961年に国産化された油圧ショベルは、約25年の間に日本のマーケットで鍛えられ、世界の競合品に負けない性能をもった機械に進化した。その結果、徐々に政米にその技術が認められ、輸出されるようになった。それに伴い日本各メーカの生産高や世界シェアも増加してきた。以下日本の油圧ショベルのグローバル展開による需要、生産高、シェア及び世界展開におけるアライアンス状況を説明する。
3.4.1 グローバル展開と生産高推移
建設機械のグローバル展開の経過について、図3.15に示す。油圧ショベルの輸出が本格化したのは、技術が確立してきた80年代の中頃からである。それまでも各メーカは主にアジアを中心に独自で展開していた。先に述べたように欧州とのダンビング問題や米国とのグレー問題（当時米国と新車の完成品は出荷できない契約になっていたが稼働時間の少ない「ほぼ新車」が輪出薬者を通じて新古車として出荷された）などによる摩擦があったが、製品の使いやすさなどから徐々に輪出が拡大して行った。そして欧州を皮切りにミニショベルも輸出されるようになった。90年代初めには、油圧ショベルの需要の半分は日本であり、それに輸出分を加味すると世界の70％近いシェアがあったと推定される。しかし1991年、パプル経済の崩壊に伴って国内需要が減少し、海外展開を加速させるも海外需要も減少した。一方、90年代後半からは中国の市場開放政策もあり、各メーカが中国への進出を積極的に進めるようになった。現在は第２次グローパリゼーションを迎え、世界的なアライアンスを行うと共に、地域に密着した戦略が求められている。なお、油圧ショベルが国産化されて以降のわが国の建設機械関連の生産高を図3.16に示す。建設機械の生産高は、1965年の約1,100億円から1990年には2兆円超えと、大幅な増加となった。この問、日本経済は急速に成長し、社会資本の整備充実が図られ、国産化後約25年の指産期を経て技術を進化、確立させた油圧ショベルを中心に建設機械の輸出も大きく伸長した。
3.4.2世界の地域別需要とシェア
油圧ショベル及びミニショベル等の掘削積込み用機械が建設機械の中で全体の６割以上を占めるが、これら掘削税込み機械5製品の世界地域別需要を見ると図3.17の通りである。
1980年代後半は世界需要が大きく伸び、1990年には30万台／年と急成長している。その要因は日本であり、経済成長に合せて急拡大したことが挙げられ、世界需要の半数を占めるに至った。1997年のアジア通貨危機による第二次平成不況を契機に日本市場は低下しているが、アジア特に中国の市場が増加したことにより2004年で見ればアジア、北米、西欧がそれぞれ３割の市場となっている。そして世界全体の市場で見れば1990年の30万台から40万台／年に迫るまで伸びてきている。このような市場の中、油圧ショベルを含めた日本メーカの、主要建設機械の世界シェアの推移を見ると図3.18のようになる。図3.18  日本メーカの主要建設機械世界シェア推移(出展：建機工、経産省生産動態調査より推定)シェアの推移は、日本から完成車で出荷したもの、 OEM（相手先プランド）で出荷したものの他に、コンポーネントを51％以上出荷して現地産したものも出荷台数に含まれている。最近の現地産においては日本製のエンジン、油圧機器、電子部品、精密機械部品などのコンポーネントを使用して生産されることが多いが、51％以下の場合が多く大半は日本からの出荷台数には該当しない。従って現地産が活発になった90年代後半から油圧ショベルのシェアは見かけ上低下しているが、これらを加味すると実質的なシェアは80%以上あると言われている。一方、それに比べミニショベルは比較的完成車で出荷されることが多く世界のトップを確保している。
3.4.3世界の主要油圧ショベルメーカ
世界でトップになった油圧ショベル及びミニショベルであるが2000年以降一段と競合が激しくなってきている。特に最近、大市場を抱えた中国メーカの台頭が著しい。現在世界でミニ及び油圧ショベルを製造しているメーカを挙げると以下のようになる。
(1)油圧ショベルメーカ
国内欧米小松、キャタビラージャパン、日立建機、コベルコ建機、住友建機、加藤製作所IHI建機、ヤンマー建機CAT、Deere、Terex、Liebherr、 VOLVO、CNH、JCB新国中国超える。 Doosan (旧大字重工)、 Hyundai（現代重工）三一重工(SANY)、柳工機械など更に現地メーカを含めると世界の総数は30社を
(2)ミニショベルメーカ
クボタ、コマツ、ヤンマー建機、日立建機、国内キャタビラージャパン、コベルコ建機IHI建機、竹内製作所、北越工業欧米BOBCAT、CAT、JCB、VOLVO斗山、現代重工統国玉柴　など中国更に現地メーカを含めると世界の総数は40社を超える。
3.4.4  グローバルアライアンス
国産化が始まった時は、欧米の先進メーカとの技術提携に基づく国産化をスタートさせたメーカが８社、純国産化でスタートしたメーカは２社であった。1970年後半に油圧ショベルの技術が確立されると同時に技術提携が解消された。その後1980年代になると日本製品の海外輸出が本格的に行われるようになった。そしてダンビング問題などで貿易摩擦があり、また怠激な円高などで輸出採算が悪化してきた。そこで各メーカは完成車輸出から現地生産へのシフトを加速させた。日本製の油圧ショベルが普及するにつれ、欧米のメーカも市場の変化を認識したが、一方で技術力の差を認めざるを得なかった。一方、日本企業にとっては世界の建設機械総合メーカになるには、フルライン化（油圧ショベル以外の建設機械全てをもってユーザに販売する）が必要であっこのような背景から1990年代になると、世界規た。模での建設機械産業の再編がスタートした。(第一次合従連衡、グローパリゼーション) 2000年代になると、中国が市場経済の仲間入りをしたことからアジアの地域の市場が拡大し、アジア、北米、西欧の３複で市場を分け合う形になってきた。こうした中で、建機大手の企業グループは、世界統ーパル調達、為替リスクの回避、製品グロ一仕様化、の相互供給などにより、規模の拡大とコスト低減を視野に新たなアライアンス構築を進めている。 (第二次グローバリゼーション)その概要を図3.19に示す。
油圧ショベルが国産化され、進化発展してきた背景には以下のことが挙げられる。 ・戦後の日本の国土復興において産業基鑑構築が重要な課題であり、インフラ整備や土木建築などの需要が旺盛で、ほとんど海外製品が使用されていた。しかし海外の製品の修理などを積極的に行い、知識をつけて行った。 ・早期復興のためには、機械化施工が必要であり旧建設省などの支援もあって、日本の機械製造メーカが競って建設機械の開発製造に着手した。 ・当初試作された製品は性能・耐久性でみて満足できるものではなかったが、「機械化施工の需要と進歩」に合わせてユーザの意見を取り込み、各メーカとも性能改善に努力した。 ・当初日本では油圧技術が不十分であったが、油圧機器メーカと車体開発メーカの協力で油圧技術が怠速に進歩した。 ・日本の土木建設工事は海外に比べ小規模で狭隘な場所も多く、大型の機械式ショベルなどは使用しにくかったことから、国土に併せて比較的小型の使いやすい油圧ショベルが普及するようになった。このような背景があって戦後、日本の復興を担う建設工事で、国産化された油圧ショベルは技術的に進化を遂げ怠成長してきた。この技術の進化で最も重要な要因は、製品に対する「ユーザの意見やクレームに対して真摯に向き合う憲度、或るいは完全性に対する自発的なこだわり」と言う日本人独自の気質と文化であった。これがあったればこそ、あくなき改善の継続が他国に比して、自然且つ容易にできたのであろう。これ以降、油圧ショベルの部位ごとの進化の状況と技術の内容について述べる。
4.1 主要構造物の進化
油圧ショベルの主要構造物としては、大きく別けて下部走行体、上部旋回体、フロントに別けられる。この中でも特に技術面で改善が図られてきた「下部走行体」「操作レパー」「フロント構造物」の進化について述べる。
4.1.1　下部走行体の進化
油圧ショベルは、プルドーザと違い、その場所にあって腕（フロント部）と旋回動作で仕事をする機械である。下部走行体（図2.11参照）の機能としては「作業場所の移動」である。従って使用される類度は全体の稼働時間の1/3以下と見られている。油圧ショベルが国産化された時は、機械式ショベルを参考に鋳鋼性の爪付トラックシューを駆動輪で回して走行する構造であった。駆動はトラックフレームセンター両サイドに配置した走行モータから駆動輪までをチェーンで連結して回していた（図4.1参照）。また上下ローラの輸受け部は砲金（銅と錫の合金）を使用したグリース給脂方式であった。当時、走行部（足回り）の使用頻度は少ないとは言え稼働1,000時間程度で分解整備（オーバーホール）が必要であった。このような中、国産化されて約９年の1970年頃には、足回り部品の軸受け部の無給脂化(オイルシール等を利用して輸受け摺動部にオイルを封じ込め、給脂をなくした）が進められ、耐久性及びメンテナンス性の向上が図られた。その後すぐに、駆動用走行チェーンを無くして走行モータを駆動軸に直結させたダイレクトドライブ式が開発され耐久性が向上した。また駆動輪もショベル型（図4.1参照）からプル方式（スプロケット方式）に改善された。更に走行時に駆動モータが損傷しないような配置改善等が図られてきた。走行装置には、大きな走行力（トルク）が必要で、当時はモータに減速機を取付けて使用していたが、 1977年頃には、走行装置用の低速大トルクモータが国産化され、このモータを採用することで走行モータ(装置)がトラックリンクの幅の中の納まる「シューイン式」となり大幅な耐久性の向上が図られるようになった。その後、専用遊星減速機や高圧モータの開発等で「低速大トルクモータ」から「高圧モータ＋遊星減速機」方式（現行）へと進化して行った。（図4.1下部走行体の進化と変遷を参照）

4.1.2  操作レバーの進化
油圧ショベルの掘削動作には、油圧ショベルの概要の「2.6.2基本動作」で説明したようにフロントであるプーム、アーム、パケットを同時に且つ状況に応じ、 

戦組に動かすことが必要になる。その操作を行うための操作レパーは重要なアイテムと言える。油圧ショベルが国産化された当時は、油圧切替え弁（コントロールバルプ）の各スプールと床に立ち上げた操作レパーをコネクティングロッドで直接接続した床立ち６本式レパー（通称は走行用の２本は除いて、床立ち４本レパーと言う）であった。獨削作業には、プーム、アーム、パケットに加え旋回動作が必要であるが、このうち２本を手で動かし、もう２本はレバーの下部に足踏みペダルを付けて足を使って操作していた。しかし足を使用しての操作は手に比べ細かい操作ができないことから複合動作には運転技術にかなりの馴れが必要であった。1977年頃にこれを解決した床立ち２本レパーが開発された。(図4.2操作レパーの進化参照) 2本レバーが開発され、従来のそれぞれのレバーを前後に動かしていた方式に比べ、2系統を前後左右で操作することが可能となり、複合操作性は一段と向上した。その後コントロールバルプ操作力の低減などもあり、スタンド式２本レパーが開発されたことで更に使いやすくなった。そして1980年代中に、米国又は国内からの操作力低減要望などを受け、当時大型機などで一部採用されていた、コントロールパルプの操作を低圧の油圧で行
う「油圧パイロット式」の専用操作レパーが開発された。これにより一段と操作力を軽減できたため腰掛け用シートに肘を置きながら操作できるようになり運転者の疲労低減が図られた。それ以降は、油圧システムのほとんどでパイロット式が採用されるようになり、現在では、小型ミニショベルまで普及してきている。油圧パイロット方式は更に進化し、現在ではシート肘掛部にシートと一体化しながらもシートの位置調整が可能なようになっており操作力も小さく疲労もほとんど感じないようになっている。 (図4.3　操作レパーの操作力・操作量・モーメントの推移参照）なお、現在では油圧バイロット式が主流ではあるが、ミニショベル等では一部電気レバーが採用されている製品も出てきている。図4.3のように開発当初の4本レパーは、操作力は6kgfあったが次第に低減され２本レパー（UH07-7）では操作力は半減された。それでも片手で２本の操作レパーを同時に動かすため疲労が感じられた。その後、油圧バイロット式に変わり、更に操作力は当初の1/3にまでなると同時に操作量、操作モーメントも改善され現在ではほとんど疲労を感じないようになっている。操作レパー方式が4本式から2本式に変わった当時はまだ、操作レパーに関する統一規格が存在しなかったため、油圧ショベルメーカは、各社独自の考え方でレバーの割付けをしていた。その後、薬界基準を作りJIS化（JISレバー）を設定したが、法的規制もなく現在までその名残りが存在している。その代表的な例を「図4.4　2本レパーの操作方式の違い」に示す。操作方式の違いは、安全性等を考慮するとJIS方式に統一すべきではあるが、運転者の慣れなどから「自分の馴れた操作方式」への要望が今でも強い。現在も統一化を進めながらも一方で誰が乗るか判らないレンタル機などにはユーザが使いやすい操作方式に簡単に切り替えられる「マルチレバー」も開発されてきている。
4.1.3フロント構造物の進化
油圧ショベルを構成する主要構造物は、開発当初から厚板鋼板を用いた溶接構造で設計製作されてきた。大きな構造物としてはトラックフレーム、旋回主フレームとフロントであるプーム・アーム・パケットなどがあるが、これらの部品には、掘削動作時に各ヒンジビンを介して大きな負荷が加わる。特にフロントの各構造物には、大きな荷重が掛かり亀裂などの損傷が発生しやすい。フロントの各部はビンで接続されているが、このビン部は油圧シリンダを操作させると常に負荷を受けながら回転摺動する。そのため各ビンの回転部には高負荷を受けられる鉄製プッシュ等が使用されており常にグリース等を注入して焼き付き防止を図っている。 (図4.5参照)なお、フロント構造物が損傷する原因としては以下が考えられる。 (1)掘削などの作業において、急激な動作で地面や岩石などにパケットを衝突させることがある。 (2)作業中に、各ヒンジビン部周辺に繰り返し(交番)荷重や大きな荷重が発生する。 (3)給脂不足になるとビン部が早期に摩耗する。また場合によって焼き付きを起す。油圧ショベルのフロント部の動作は、重量物があることからエネルギー値が大きく、故意に衝突させれば通常の数倍の力が掛かり早期に壊れる。またシリンダ速度も速くなってきておりストロークエンドでの衝撃も大きい。このような背景から今まで以下のような改善が成さ
れてきた。
・各ビン部などで衝撃等により応力集中が発生しやすい部位を鋳鋼化して応力集中を減らす。 ・ストロークエンドでスピードを減速する構造の油圧シリンダの採用などである。一方、それに合わせて給脂不足の解消、給脂間隔の延長のための構造改善等が行われてきた。従来からヒンジビンについては表面を高周波焼き入れ又は浸炭焼き入れを行い硬度をアップし、同様に相手間も鋼製プッシュを使用して焼き付き防止を図っていたが、50〜100時間間隔でグリース給油が必要であった。これを怠ると焼き付きや早期摩耗を起す。定期的なグリスアップは作業者の負担になる。またレンタルで使用する場合は給脂を怠るなどの問題があり、メンテナンスフリー化や給脂時間の延長のニーズが高かった。その中でも特にパケット部は常に土砂や水にさらされることから損傷しやすかった。そこで考案されたのがビン摺動部への土砂の侵入防止策である。 (図4.6パケットビン部の土砂侵入防止策参照)この方法は、アームとパケットのボス部にＯリングを入れることで外部からの土砂流入を防止するとともにアーム内部に貯蔵したグリースの流失を抑えて長時間給脂状態が保てるようにしたものである。これでかなり給脂間隔等は改善されたが、これでもグリースの流失などで無給脂とはならなかった。その後1995年頃に日立建機では「HNプッシュ」が開発され採用されるようになった。「HNプッシュ」は含油焼結合金製プッシュであり、ビンは従来のものが適用できる。含油焼結合金とは、鉄、銅、その他元素の粉末を成形して焼き固め、真空チャンパーを使用して潤滑油を含浸した合金である。表面は浸炭焼き入れをして従来の鋼製プッシュと同程度の固さを有する。 HNプッシュの作動原理を図4.7に示す。 HNプッシュでは焼結合金内の空孔に含浸した高粘度潤滑油が、回転の摩擦熱でビンとプッシュの隙間に滲み出て摺動面を潤滑する。この２つの技術改革により無給脂とまではいかないが従来の約５倍まで給脂無しで使用できるようになった。一方、グリースが流れ出ないため、回転によりアーム先篇のポス部とパケット篇面が摩擦により摩耗する。そこで篇面にWC（タングステンカーパイト）を溶射して硬度を上げ、摩耗を軽減する技術も採用されてきている。
4.2  油圧システムと制御システム
油圧ショベルにおける油圧システムとは、原動機であるディーゼルエンジンの機械（回転）エネルギーを油圧エネルギーに変換して各アクチェータに伝達し、機械エネルギーとして使用するシステムであり、それを効率良く動かすようにコントロールするのが制御システムである。機械エネルギーを油圧エネルギーに変換する機器は油圧ポンプであり、油圧エネルギーを機械エネルギーに変換する機器はアクチュエータと呼ばれ、油圧シリンダやモータ等がある。一方、油圧を伝達する機器としては、タンク、配管、ホース、フェルタなどがある。更に、油圧を制御する機器としては、方向制御弁、圧力制御弁、流量制御弁などが挙げられる。通常、油圧ショベルの場合、シリンダ及び油圧モータ等のアクチュエータを使用して掘削などのほとんどの作業が行われる。油圧ショベルにおける油圧及び創御システムに求められる機能としては以下が挙げられる。 ・フロント部及び本体部の６動作（走行左右・旋回・プーム・アーム・パケット）をオペレータの意のままに操作できること。 ・6動作を同時に操作（複合動作）できること。ま
たインチング（微操作性、即動性など）やメータリング（レバー操作量に比例した動作性）性が良いこと。 ・エンジン出力を効率良く油圧に変換して作業機を駆動できること。 ・悪環境（温度、湿度、気圧、粉塵等）においても、連続的に使用可能で且つ竪牢であること。 ・ランニングコストも含め、コストバフォーマンスが高いこと。油圧ショベルは、当初は海外技術を導入して国産化されたが、その４年後に純国産技術の油圧システムが考えられ、その後より使いやすく効率の良い製品を目指してさまざまなシステムが考案され進化発展してきた。図4.8に、その主な油圧システム及び創御システムを示す。油圧ショベルにとって油圧システムと油圧制御システムは、動力伝達の基本である。国産化後約20年で、ほぼその基本ができたと言える。なお回路システムと創御システムの違いは以下の通りである。その代表的な例を上記表の順番に従って説明する。
4.2.1　固定容量型1ポンプ1バルブ(PF1P-1V)
システム
日本で最初に生産された「三菱ユンボY35」に搭載された油圧システムを図4.9に示す。エンジンには1個のギヤーポンプ（固定容量型：一般にPFポンプと言う）を直結してそこで発生する圧油を６連型の切替弁（以下コントロールパルプと言う）に流す。上記のシステムにおいては、コントロールパルプは図4.10のバラレル（並列）回路が組み込まれている。これによりパルプ①のスプールを使用していても、圧油Pはパイパス回路を通ってパルプ②に流れるためバルプ①及び②とも同時に使用することができる。各スプールはオープンセンタ式（図4.27参照）が採用されており操作レパーによるスプールの押し具合でアクチェータ側A1、B1への供給流量は変化するようになっている。 Y35の仕様は、エンジン出力36ps、油圧P=95kgf/ cm²、流量Q=120 ℓ  /minで油圧馬力としては25ps (P × Q/450）であり、現在のミニショベルに該当する製品である。当時は国内に類似の商品がなかったため好評を博したが、実際の作業においては以下の弱点があったと推定される。 ①複合動作が難しい。油圧ポンプが１個で、その油量をバラレル回路で接統して動かしていることで理論的には各アクチェータを同時に動かせる標造ではある。とは言え負荷の掛かり具合で圧力の低い方に多くの油が流れることから、状況によっては片方が停止する。また複合動作を行うと単独動作時には100%流れていた流量が半減するため動作速度が怠激に変化する。まして、3複合動作をすると更に操作が難しくなる。これらの状態をオペレータの運転技量で修正しながら使用しなければならず、熟練を要し疲労も伴っていたと推定される。 ②負荷状況でエンストする。油圧ショベルで負荷の大きい動作は「走行」と「プーム上げ」である。走行は２つのモータを同時に動かすことで大きなバワーが必要になる。またプーム上げも負荷モーメントが大きい。以上からプーム上げと走行を同時に可能にするには大きなパワー（エンジン）が必要になるが、大きなバワーにすると各単独動作が速くなりすぎるためエンジンは少し小さく設定している。当時、バワー配分をするための制御油圧機器も少なく、結局は使用状況によってエンストが発生する構造となっていた。
4.2.2　固定容量型2ポンプ2バルブ（PF2P-2V）
システム
1965年に日立製作所（現：日立建機）が純国産技術で日本初の油圧ショベルUH03を開発した。国産されたUH03は海外技術導入で製造されたY35の欠点である操作性を各段に向上させるとともにパワーもアップした製品である。UH03の仕様で見ると、エンジン出力50ps、油圧=140kgf/cm²、流量Q=104 ℓ  /min × 2ヶで油圧馬力は65psであった。この時に採用されたのが図4.11の本システムである。本油圧システムでは、複合性能を良くするために固定容量型（PF型）の２連ギヤーポンプを装備して、それぞれ個別にコントロールパルプに接続している。 ３連及び４連のコントロールバルプについて見ると、各々のバルプ内はバラレル回路が組み込まれており、複合性は悪いが、直進性が必要な走行は２ポンプになり左右別々の回路となったことから、左右の負荷に途いがあっても影響はない。これ以外にも本システムでは1P1V方式に比べ、以下に述べるように性能が大幅に改善されている。 (1)プームシリンダは、2本のシリンダを使用しており必要流量も大きいことと、右パルプのパケット動作でプーム上げ側の流量が低下しても左側から合流して補填している。実際にはプームレパーはリンク機構を用いてレパーを２段で引くようになっており、1段目で右バルプが全開し更に２段目まで引くと左側パルプのプーム２から合流されるようになっている。従ってアーム動作や旋回、プーム動作を複合させる時はプームレパーを１段だけ引くことで確実に複合できる。 (2)複合類度の多いプームとアーム、アームとパケット、旋回とプーム１がそれぞれ別ポンプ駆動になっているため、同時操作が確実に行えるようになり操作性が格段に良くなった。 (3)パワーが必要でない旋回やパケット回路は、ポンプを２つに分けたことから、それぞれエンジン出力の半分の流量しか供給しない。逆にその分を、パワーが必要なプームや走行回路及び複合動作のスピードアップに使用できることから作業性能が大幅に向上した。 (4)本製品ではエンジン出力に対し油圧馬力が大きくなっている。通常油圧馬力がエンジン出力を超えるとエンストを起す。従ってエンジンの特性や使用環境などを考えて油圧負荷馬力は、エンジン出力内で設計されるのが一般的である。油圧馬力が最大になるのは、2ポンプを最大圧力で使用した場合で、走行時、複合動作時、2ポンプ合流しているブームのフル動作時である。本製品では、負荷状態はエンジン音などで把握できる、油圧負荷が最大になる頻度は少ないとの考えから、エンジン出力を上回った油圧馬力を出すようにしていたためエンストも発生する概造であった。ちなみにY35とUH03の場合で比較すると「油圧馬力/エンジン出力」の比は、それぞれ0.7と1.3となっている。なお現在では負荷に応じて流量を制御してエンジン出力内に抑えているため、エンストはしない構造に進化している。これ以外にも、キャビテーション防止機能の向上、高圧フェルタ装着、旋回急停止防止のためのプレーキパルプ装着など安全性や信頼性を向上させる工夫が施された。純国産化ということでは、2年後の1967年に加藤製作所がHD350を開発しているがこれもほぼ同様のシステムを採用している。
4.2.3   可変容量型2ポンプ2バルブ(PV2P-2V)
油圧システム
本油圧システムは、前述と同じ2P-2V方式で1968年に日立UH06で最初に採用されたが、図4.12に示すように、油圧ポンプが固定容量型（PF型）からアキシャルプランジャー（ビストン）ポンプ（PV型）に進化したものである。さらに本システムには、当時、国産のPVポンプが少ない中、㈱川崎重工業（当時）の協力を得て、省エネルギー技術として両期的な発明である外部コンペン創御（4.2.4の（2）で説明)が開発採用されている。この方式は、従来の油圧負荷に関係なく回転数に比例して一定の流量を吐出する固定容量型（PF型）に対し、吐出流量を状況に応じて変化させることが可能な可変容量型（PV型）ポンプを採用したものであるが、このシステムにより油圧ショベルの性能を飛躍的に向上させ、これが油圧ショベルの基本原理となり進化の基礎となった。現在でもミニショベルも含めほぼすべての油圧ショベルにPV方式が採用されている。 PV方式を採用するメリットは(1)エンジン馬力の使用率が高まり、その分同じ性能ならエンジンを小型化できる。 (2)油圧出力が自由に変えられるため、効率や作業性が同上する。 (3)馬力一定制御など、ニーズに応じて幅広いポンプ制御が可能となる。 (4)アキシャルプランジャーポンプを使用することで、高圧化や大馬力化が容易となる。 (5)ポンプ単品はコストアップするが、全体システムとしてはコスト低減が可能となる。以上のことが挙げられるが、このポンプを使用するための創御方式について以下詳細説明する。
4.2.4 可変容量型ポンプの制御
（1）馬力一定制御
可変容量型ポンプにおいてはエンジン馬力に対し、油圧馬力がオーパーしてエンストを起さないようにポンプ馬力を一定に制御するシステムが採用される。本方式を説明するに当たり、まず固定容量型（PF）ポンプと可変容量型（PV）ポンプの違いを比較する。 ① PF方式とPV方式の比較油圧ポンプには、図4.13の①のギヤーポンプに代表される固定容量型ポンプ（PF型）と、②に示す可変容量型プランジャーポンプ（PV型）がある。可変容量型ポンプには斜板（ヨーク）の角度を変えて流量を変化させるものとドライプシャフトの角度を変えて流量を変化させる斜軸式がある。プランジャーポンプの特徴は、ギヤーポンプに比べ構造的に高圧で使用できることである。可変容量ポンプ作動原理は、図4.13の③に示すようにドライプシャフトと一体になったシリンダプロック内に複数（通常は８～９本）のビストン（プランジャー）が配置されており、シャフトが回転するとプロックも一緒に回転しながら、パルププレート（固定）の流入位置にくると油を吸込み、排出位置になると油を吐き出す構造である。吐出流量を調整するのは斜板（固定）であり、この斜板の角度を変化させることによりシリンダプロック内のビストンの動くストロークが変わることから吐出量も変化する。ビストンの先端は球面状でそれをシューで包んで斜板に平面接触させ、回転時はシューが滑りながら動く。斜板角度の変化は球面部で受けて動く構造となっている。 (②の構造図参照)油圧ショベルを純国産化した1965年頃には可変容量型ポンプの国産品はほとんどなかった。油圧ショベルの高圧化、効率化を図るためには、ショベルの特図4.13  固定容量型油圧ボンプと可変容量型油圧ボンプ性に合わせたPVポンプの開発がどうしても必要だった。そこで日立建機㈱は、川崎重工業㈱に依頼して専用のプランジャーポンプを開発した。当時はパイロット油圧で斜板を制御する技術がなかったためアイデアを絞り、図4.13の④に示すようにパルプのスプールの動きをカムで検出し、レバー等を介して機械的にポンプの斜板に繋いで制御する方式であった。当時、海外の文献でもショベルの動きに合わせて斜板を自由に変化させ、油の吐出量を自動的に調整する機構はなく、世界初の技術と言える。ポンプ開発に当っては、何度も試作品を作り昼夜を分かたぬ努力を重ね、約１年という短期間で完成させたとのことである。油圧ショベルでは、開発当初（1950～1960年代中頃）までは固定容量型ポンプが採用されていたが、60年代後半から、よりパワーの大きい油圧ショベルのニーズが高まり、それに伴い高油圧化が必要になってきた。それに対応して可変容量型ポンプの採用が始まった。油圧ショベルの場合は掘前動作において常に負荷が変化し一定ではない。従って作業に必要な負荷（圧力×流量）の最大値で設計すると大型の機械になってしまう。この対応策としては、速度（流量）を少なくすることで大きな力（圧力）を出せるポンプを使用することにより、車体やエンジンのコンパクト化を図ることが考えられた。このためには可変容量型ポンプが最適であった。このような背景から現在では、車体重量1t以下の超ミニショベル（通称：マイクロショベル）の一部を除いてはほとんど可変容量型のポンプが採用されている。可変容量型ポンプを使用した場合にエンストを起さないように油圧馬力とエンジン馬力のバランスをとるには、圧力と流量の関係を創御する必要がある。そこで、図4.14に固定容量型（PF型）と可変容量型（PV型）ポンプの「流量－圧力線図」を模式的に示して説明する。なお、双方とも流量は２ポンプの合計流量を示す。 PF型ポンプにおいては、油圧ポンプの最大馬力Cl (ps)は、「pl (kgf/cm²) × ql ( ℓ /min) /450)で計算されるが、この馬力がエンジンの出力曲線E tの範囲内にないとエンストを起す。同様にPV型ポンプの場合でも最大馬力C2は同様に「p2 × q2/450」で計算され、最大流量で且つ最大圧力を出そうとすると、エンジン最大出力Evを超えるためエンストが発生する。そこで圧力がp3まで上昇したら、ポンプレギュレータからの指令圧でポンプの斜板角度を制御して吐出量を低下させることで、油圧馬力Cvがエンジン出力Evを超えないように、Ev曲線に沿った一定馬力創御を行い、エンストを防止する。そして負荷圧が宿域B:PV方式にした場合にC1の馬力で渡量増加する範囲p2リリーフ圧状態までアップした場合は、流量はq3まで低下する。なお、ポンプの最大油圧コーナー馬力C2とは、一般的にPV方式での油圧馬力の目安を言う。油圧コーナー馬力が大きい方が変速域も大きく有利ではあるが、機器の大型化やコストアップにもなるため通常は、エンジン出力の2倍前後になっている。両方式のエンジン出力の利用度を比較すると、PF方式では、最大圧力時にのみエンジン出力を100％使用しており、通常は負荷圧が上がらないことが多いことからエンジン馬力に余裕がある。一方PV方式では負荷圧p1〜p2の間でもエンジン出力に合わせた流量吐出をするため領域Aの範囲も利用が可能となる。同様に流量でも領域Ｂの範囲も使用できる。この出力の利用度の差はPV方式の場合、PF方式の60 ～80% (C1/C2)のエンジンで同等の作業量が得られ、エンジン小型化が図れる。また従来の方式に比べPV方式では、運転中いかなる負荷に対してもエンストが起こらないことからオペレータの負担が軽減されていな。 ②可変容量型ポンプの馬力制御エンジン馬力の利用率は、可変容量型ポンプ（PVポンプ）の出現で向上したが、その後、可変容量型ポンプを２ヶ使用した各種の馬力創御方式が開発され、更に向上した。その制御方式を図4.15に示す。 PVポンプを２ヶ採用した初期段階においては、 (A)図のようにエンジン出力の半分に相当するポンプを選定して、各々が個別に自己圧（自分のポンプが発生させる圧力）を検知して馬力一定制御を行う個別(独立)制御方式であった。その後、エンジン出力をより有効に利用できる全馬力創御（全ての油圧負荷を合計してエンジンの所定馬力内に削御する機構）へと移行して、その後更に負荷によるエンジン回転数の変化を検出して全馬力創御するエンジンスピードセンシング方式が開発され、現在に至っている。 (B) ～ (D)の全馬力創御方式は、2つのポンプの油圧馬力の合計がエンジン出力を超えない範囲で制御される。従って一つのポンプが軽負荷の場合には、流量が全体に増加したり又は、他方のポンプの流量を増加させたりすることができる。従ってより多くの馬力を吸収させることになり、全体としてエンジン出力の利用度が同上する。
(2)外部コンペン式流量制御
コントロールバルプは、操作レバーの操作量に応じて各スプールからアクチェータに流れる流量を変化させるが、可変容量型ポンプの場合、各スプールからの使用流量（パルプの解放度）に応じてポンプ吐出流量を変化させることが可能で、このことがスムーズな動作（メータリング特性）や省エネにつながる。パルプが操作されていない場合はポンプ吐出量を最低にして、複合動作等で大きな流量を必要とする場合はポンプ吐出量をポンプの最大馬力まで出すようにする。 1968年に発売された日立UH06で可変容量型2P2Vシステムが採用され、世界で初めて外部コンペン式制御方式（メカニカル式）が登場した（注1及び図4.13の④参照）。その後、1980年頃から外部コンペン式制御は、メカニカル式から油圧式へ転換され、各種制御方式が考えられ、採用されるようになってきた。油圧式ポンプの流量制御には２つの方法がある。その制御方式を図4.16に示す。 (注1：特許0864109  油圧ショベル操作用ポンプの創御装置、出願日：昭和43年9月6日、発明者：安倍克郎、柿沼三郎、字整正晃)図4.16のネガコン制御（ネガティプコントロール）はオープンセンタ回路のセンターパイパスラインの最下流に絞り抵抗を設けて、そこを通過する漏れ流量を絞りの背圧として検出し、ポンプにフィードパックすることで、その漏れ流量が一定になるようにポンプを制御する方式である。従ってポンプの吐出流量は（必要流量＋漏れ流量）分だけとなり、無駄な流量を吐出しないため省エネとなる。システムの構成はシンプルで且つ、ダンビングが効いて作動が滑らかであるが負荷変動によるメータリング特性への影響は免れない。一方、ポジコン制御（ポジティプコントロール）は図4.16  油圧ボンプの外部コンペン制御方式コントロールバルプへの操作指令圧であるバイロット圧力を検出して、必要消費流量を予測して可変ポンプにフィードバックさせ吐出流量をコントロールする方式である。ネガコンと同じように無駄な吐出流量が無いので省エネになる。回路の安定性は良好であるが、ショベルの操作性がポンプの制御特性に依存するため、負荷特性とのマッチングが重要となる。このように1960年代終わりから1970年代にかけて、国産の油圧ショベルでは、機械の耐久性の向上に加えて、可変容量型ポンプ採用による高圧化・小型化、負荷に応じた外部からコンペン制御による効率化及び省エネ化の技術が開発され進化した。
4.2.5   3P (ポンプ)システム
油圧ショベルの動作は、2P-2V化により複合性などが改善されたが、旋回と他の動作との複合性が悪いなどの問題がまだあった。そこで考えられたのは３ポンプシステムである。複合作業の中でも旋回動作と他の動作を同時に行うことは非常に多い。例えば掘削した士を地切り（地面からパケットが上げること）すると同時に旋回を行いながらプーム、アーム動作も行いダンプカーに積み込む動作は作業時間を短縮する上で重要である。その際に旋回動作ができなかったり、他の動作をした時に旋回動作が変化したりすると使い勝手も悪く且つ危険でもある。そこで考えられたのは旋回動作を独立するために専用ポンプをもう１ヶ追加した3ポンプシステムである。欧米では早くから「3P-3V」システが採用されてきていたが、日本においては「2P- 2V」システムの改良で旋回の独立性を確保する開発が進められてきた。しかし現在は、ミニショベル等で１部3Pシステムを採用している機械もある。図4.17に2Pシステムと3Pシステムの比較図を示す。図4.17に示すように3Pシステムでは、旋回との複合性を良くするために旋回専用ポンプを設け他のポンプに影響されないで流量を確保し、安定した動作をするようにしている。これは旋回動作の場合、他の操作を行った時にその影響で速度変化をおこすと危険につながるからである。しかし3Pシステムの場合、旋回に必要なエネルギー（出力）を常に確保して、残りのエンジン出力で他の動作を創御することから、通常ポンプは固定容量型の小さなものが採用されるが、それでもエネルギー効率は悪くなりコストも高くなる。このような事情も有り、一時は3Pシステムも採用されたが、1980年代になり、旋回動作を含めて2ポンプシステムでまかなう、より効率的で複合性の良い「OHS油圧システム」（4.2.7参照）などが登場してきた。現在、3Pシステムは構成が簡単なため、ミニショベル等で多く採用されている。
4.2.6コントロールバルブ制御
油圧ショベルの油圧回路については国産化以降、種々の構造的特性や使用者の意見への対応の結果として、様々な回路構成が開発されてきた。この背景には1965年以降、国内の油圧ショベルメーカが多く出てきたこと、ミニショベルが市場に登場して、ミニショベル専門メーカを含めると更に多くのメーカが出現したこと、彼らがそれぞれ独自の開発を行い、より高性能で使いやすい製品を出して国内シェアを確保すべく、熾烈な競争を展開したことなどがあった。その開発のキーワードは、先に述べたポンプ制御とコントロールバルプによる「操作性の向上」、「省エネとスビードアップ」であった。以下では、コントロールバルブ制御の技術進歩について説明する。
(1)リリーフカットオフ制御
油圧ショベルは、稼働中に過大な負荷に遭遇すると、動きが止まり、力だけを出しているリリーフ状態になる。リリーフカットオフ創御は、この時にリリーフ圧力の直前でポンプ流量を減じることで、エネルギー損失を抑えて、発熱低減（省エネ）や騒音低減を図る制御である。本制御は1982年頃から各油圧ショベルメーカで採用されるようになった。
(2)ブーム合流回路
プームの上下動作を行うプームシリンダは、フロント部の根元に配置されることから作動モーメントも大きく他のシリングに比べ大きな力が必要になる。そのためミニショベルなど一部を除いて２本のシリンダを配置する場合が多い。従って掘削動作においてはプームシリングに大きな流量を供給する必要がある。そのため図4.18に示すように必要流量の大きいボトム側には２ポンプを合流させて使用し、負荷及び必要流量の小さいロッド側には１ポンプを使用するよう回路標成することが多い。また場合によってはプーム上げ時に発生するロッド側の油をアーム側回路に入れて「アーム伸び側」の増速用として使用する場合もある。
(3)アーム再生回路
油圧ショベルで掘削する場合には、アームシリンダ及びパケットシリンダはフロントの形状と構成から考えて、シリンダを伸ばす（クラウド）方向で大きな力が求められる。通常、油圧シリンダの力は、受圧面積に比例するが、シリンダの配置構造から、伸ばす方が縮める（ダンプ）方向に比べ約２倍ある。従って伸ばす方向では、力は約２倍出るものの、同じ流量を供給しても速度が半分に落ちることになり、同じ速度を確保するには２倍の流量が必要になる。なかでもアームシリンダはストロークも長く、太さも太いことから、その差が顕著に表れる。そこで考えられたのがアーム再生回路である。図4.18にその構成と説明を示す。通常、アームの自重は、アームが垂直状態になるまではアームシリンダを引き出す方向に掛かっており、排出側に圧力が掛かってくる。一方ポンプからの供給流量は、上述のように排出側の約2倍必要になることから、油の供給が追い付かない状態になる。そこで排出側から供給側だけに油が流れる回路を作ることで、アーム下げ（クラウド）動作を速くするように改良した。これによってアームシリンダの速度のバランスが良くなる。
4.2.7   OHSシステム
1983年にOHSシステム (Optimum  Hydraulic System）が日立建機によって考案され、日立UH-7型に搭載された。当時の建設市場は国土開発型から都市開発型に移ってきており、それに伴って工事の内容も怠速に多様化してきた。油圧ショベルの使われる用途も解体作業、深掘り掘前作業、狭隘な現場での作業、吊り荷作業など様々で、複合作業も多く、繊細な動きを求められるようになった。このような背景を受け、当時は以下のような技術課題の解決が求められていた。 ① 2P-2V方式でかなり操作性は改善されたとは言え、コントロールパルプにパラレル回路（図4.10参照）を採用しているため、同一パルプ内での複合操作性が悪い。 ②他のアクチェータを探しながら走行すると蛇行する。 ③旋回の微操作性が悪くなる。 ④コントロールパルプの絞りロスが大きい。などである。具体的現象としては、直進走行中に旋回やフロント動作をすると走行モータへの送油量が変化して蛇行する、旋回中にフロント動作をすると旋回速度が急変するなどであった。これらの課題の改善を行ったのがOHSシステムである。このOHSシステムの油圧回路を説明する前に、油圧回路橋成で基本となる３つの回路について説明する。
(1)バラレル回路
4.2.1油圧回路システムの図4.10でも説明しているとおり、パラレル回路ではパルプのすべてのスプールにP （ポンプからの高圧）が接続されており、どのスプールも同時に操作することはできるが、流量はそれぞれの負荷に応じて、少ない負荷側に多く流れる。この時スプールの開度（操作量）を加減すれば基本的に流量の調整は可能であるが、油圧ショベルのように負荷が絶えず変化する場合は、それを運転手が加減して行うことは難しい。また各スプールに絞り等を入れることが多い為、縦りロス（油圧回路の流量調整のため、通過面積を小さくする（絞る）ことで発生するエネルギー損失）も大きい。
(2)シリーズ回路
シリーズ回路の場合、図4.19のようにパルプ①のアクチェータからの戻り油（A1）を下流のパルプ②のPポートに送ることにより負荷の如何に関わらず、 2つ以上のアクチェータを同時に作動させることができる。複合動作時に全てのパルプがポンプのフル流量を使用できるが、各アクチェータの作動圧力は合算したものがポンプ圧力になるため、個々のアクチェーの作動圧力は小さくなる。
(3)タンデム（優先）回路
図4.20の回路のように、バルプ①のスプールをフル操作している時は、それより下流のバルプ②又は③のPポートは遮断されるため作動しない。同時に2動作をさせた時でも必ず上流側が優先して作動する。スプールが中間域であった場合は、上流の残りの圧油で下流側は作動する。この回路は、一つ一つのアクチェータを確実に作動させるときに使用される。
(4)  OHS油圧回路
OHS油圧回路は、2P-2V方式で、先に説明した（1）バラレル（並列）回路と（3）タンデム（優先）回路を組み合わせ、さらに複数の絞りを有するパイパス回路(負荷補償回路)及び２ポンプを合流させて使用できる合流回路から構成される。その回路を図4.21に示す。左側P1用コントロールパルプは、旋回を優先として走行（左）回路をタンデム（優先）構成にして最下流に配置し、それ以外をバラレル回路で構成している。アーム（1）及び走行（左）にはパイパス回路があり、それぞれ絞り弁を介してポンプと接続している。右側P2用コントロールパルプは、走行（右）をタンデム（優先）標成にしてそれ以外はパラレル回路にしている。P2と走行（左）の間に合流回路があり、旋回、プーム、アームのパルプ作動時には合流弁が開きP2から走行（左）に圧油が供給できるようになっている。この回路で複合性や徽操作性、更には走行蛇行などの問題が大きく改善された。その具体的作動例について説明する。 ①走行と旋回の複合（図4.22（a）参照）走行中に旋回すると、上流にある旋回が走行（左）に優先して作動する。走行圧が旋回圧より低い場合でも旋回は絞りにより加速圧が確保される。一方、走行(左）にはP1の圧油の1部がバイパス回路を介して供給され、さらにP2からも合流回路を介して供給されるため走行は多少の速度低下はあるものの、従来のように蛇行することなく直進できる。 ②旋回とアームの複合（図4.22（b）参照）旋回はアーム（1）に対しても同様に優先して作動する。アーム作動圧が低い場合でも絞りにより作動圧は確保され、従来のように旋回加速が鈍くなったり、速度が急変することはない。一方アームについては、P2側のアーム（2）とPlに余剰油が供給され合流しているため確実に動作する。 ③旋回とプーム、アーム及びパケットの複合（図4.22 (c)参照)油圧ショベルの代表的な作業である掘削積込み作業で良く使われる複合動作である。掘削動作においては「2.6.2掘削の基本動作」の図2.17で示す通り3動作の複合が必要であり、それに加えて旋回との複合も必要になってくる。OHSの油圧システムにおいては2ポンプシステムで合流弁やバイバス回路更には優先回路等を利用してそれぞれの動作が他の動作と複合しながら旋回とアームの独立性を高めている。
④アームシリンダのパワーアップ
4.2.6の（3）アーム再生回路（図4.18参照）で示す排出側から供給側への合流を、OHSシステムの場合は、アームシリンダの伸び側へのみ2ポンプを合流して行うようにした。そのため1ポンプで戻り油を再生して増速するより、パワーが倍増になり、よりスピードアップさせることが可能となっている。 ⑤旋回微操作性の改善油圧ショベルの旋回体は慣性が大きいため、減速停止時などに旋回モータ回路が負圧になり、キャビテーション（油の流速の怠激な変化により、油内部に溶け込んでいる空気が気泡となり、異音や異常圧を起きせる現象を言う）が発生すると逸走し、制御性を失う危欧がある。図4.23に従来技術による旋回回路とOHSの旋回回路を示す。従来技術では、逸走防止のため、旋回モータに供給される供給量と排出される圧油をコントロールパルプとカウンターバランスバルプにより削御していた。カウンターパランスパルプは１次側の圧油を旋回モータに供給した分だけ排出させるため、キャビテーションは防止できるが、圧油がON-OFF的（切り替え動作が怠）に動作をするため減速時にショックが生じたり、停止時に描れ戻りが生じたりして微操作性が不十分であった。これに対しOHSの旋回回路では、コントロールパルプの切替えタイミングの変更と大容量のメイクアップパルプ（負圧になるとタンクから油を吸い込む）の設置によりキャビテーションの防止が可能となり、動作が滑らかになると同時にコントロールバルプだけで起動啓止の制御ができるようになった。ただどうしても揺れ戻しは少し出てしまうという問題があるが、その後揺れ戻しを防止する慣性負荷用圧力制御弁などの採用により、更に旋回微操作性は向上した。図4.23  旋回回路の比較以上のように、OHSシステムは従来の2P-2V方式の利点を残して各アクチェータに対し実用上ほぼ完全な分流制御を実現した。この結果、掘前作業以外の細かな作業も正確且つ安全に効率よく行えるようになり、油圧ショベルの多様化が格段に進んだ。例えば従来、人に頼っていた仕上げ作業や、荷役等に細かな作業の機械施工化が進み、工期の短縮や3K（きつい、危険、きたない）職場と言われた工事現場での作業者の負担軽減や安全化に貢献した。さらに運転の容易化により、高齢者や未熟練オペレータ、女性オペレータの進出を促進した。また複合動作時の操作レパーの微操作類皮の減少により燃費も向上した。 OHSシステムは海外でも、油圧システム効率の高さ、複合操作性、旋回操作性、アームパワーなど高く評価され、国産油圧ショベルの優位性を確実なものとした。
4.2.8  電子OLSSシステム
1980年代に入り景気低迷の影響を受け、土木工事における工費低減の重要性が高まり、建設機械にも低燃費や工期短縮のための作業量向上のニーズがより高まった。このニーズに対応して1984年にコマツが、世界初のメカトロを駆使したエンジン制御システムである「電子OLSS」を開発した。油圧ショベルはディーゼルエンジンを動力源にしているが、低燃費化を図る上ではエンジンの性能やエネルギーロスの改善、油圧システムの効率化が重要であった。油圧回路では、エネ軽負荷運転でのエネルギーロスが多く発生していることが判明していた。これらを解決するためには作業状況に応じて油を分配供給するロードセンシングシステム（4.2.10で詳細説明）の採用や作業内容に応じてエンジン回転数等を選択するシステムが有効である。そこで従来の油圧システムやエンジン制御を個別に行う方式から、これらをトータルに行うことが効果的であり、そのためにはコンビュータ創御が不可欠であった。そこで従来の油圧システムを変更し、ロードセンシングシステムとコンビュータ（マイコン）を使って、エンジン回転数とポンプ吐出量の同時制御や作業内容に合わせてモード切替できる省エネ油圧システムOLSS (Open Center Load Sensing System)を開発した。これ以降各社とも創御にマイコンを組み込み各社各様の省エネシステムを開発して行くようになった。主な特徴は、コンビュータ制御によるエンジンスビードセンシング全馬力創御（TVCパルプ）、ネガコン制御（NCパルプ、ジェットセンサ）、リリーフカットオフ前御(COパルプ)及びポンプの入力トルク(エンジン回転数）を３段階に切替えるモード切替えスイッチなどである。 (図4.24参照)
4.2.9    E-P制御システム
1985年には、同様の創御システムを搭載した日立EX200が開発された。これはエンジン回転数とポンプ吐出量を作業の内容に応じて選択できるものでE-P制御システムと名付けられている。従来技術では、エンジンは、オペレータの燃料レバー操作によって回転数が制御され、油圧ポンプはレギュレータを介して機械的に容量制御されると言う具合に、それぞれが別個に制御されていた。このような個別制御では、エンジンとポンプの組み合わせは一義的に決まってしまうため、燃費や騒音及び作業性の面で不十分であった。例えば、ここ一番、もっと作業量が欲しいときにパワーが足りないとか、燃費や騒音の低減のためにエンジン回転を絞ると軽作業でも作業スピードが落ちてしまうといった不満や、細かい作業などで、もっと微操作性を上げてほしいなどの改善要望があった。そこで、E-P創御システムでは、エンジンとポンプを同時に創御する方式で、予めエンジン回転数とポンプ容量の最適報合せ（モード）を複数決めておき、コンビュータ制御により、オペレータが選択する作業状に合わせ、最適マッチングを提供できるようにした。そのシステム図を図4.25に示す。コントローラの入力は、オペレータが作業の状況に合せて操作する作業モード、走行2速、オートアイドルの各スイッチ信号と、機械の状況を検出する圧力センサ信号で、出力はモニタ表示とソレノイドパルプ駆動信号である。ポンプは、最大容量2段切替え機能付きで、ソレノイドパルプからのバイロット圧でそれぞれの最大傾斜角を選択できる。また無負荷時は、外部コンペン機能により最小傾転角となる。一方、エンジン回転数は、ソレノイドパルプからのバイロット圧でガパナを付加的に創御することにより、3段階に設定できる。また燃料レバーは、そのまま機能するようになっている。次に、E-P創御システムでのエンジンとポンプ流量の関係を図4.26に示す。従来機（a）では、作業時は燃料レパーの操作に応じ、線上のある１点で(エンジンフル回転では②相当)で作業をしていた。これに対し、容量2段切替え機能とエンジン回転３段階設定機能のあるE-P創御システムでは、図（ｂ）に示すように①～⑥の６点で作動することができる。この各作動点は、省エネ、作業能率、作業精度、騒音値などに対するオペレータの要求に応じて選択すればよく、自動的に最適な制御が可能となる。本システムでのオペレータの選択モードに対応するエンジンとポンプの作動例を表4.1に示す。
作業モードは、作業量重視のＰモード、効率重視のEモード、精度重視のLモードがあり、走行は、各掘前モードで高速、低速の選択ができる。また、オートアイドルは、作業待ちなど無負荷時に自動的にエンジン回転を下げ、騒音低減、省エネを図るものである。オペレータが掘削積込みなどで大作業量を意図し、 Pモード・高速・オートアイドルONを選択すると、無負荷時は⑨、掘削作業では②、単独走行時は①、掘前と走行の複合動作時では②となり、油圧ショベルの最大能力が発揮できる。また燃費や低騒音を意図して、Ｅモードを選択した場合には、エンジン回転数を最大効率点付近に設定した回転数（85％程度）に低下させるとともに、ポンプ容量が増大して③となり、中負荷作業での作業速度の低下を防止しつつ、燃費減と騒音低減が可能となる。さらに仕上げ作業や荷役作業などで、微操作性を重視してＬモードを選択した時には、エンジン回転数及びポンプ容量とも低下して⑥となり、ゆっくりと確実に動作する。ちなみにＰモードとＥモードを比較するとＥモードの方が燃費で15％程度、騒音で3dB（A）ほど良くなる。
4.2.10ロードセンシングシステム
1990年代になると、さらに油圧ショベルが建設現場でいろいろな作業に使われだした。これに伴い・多様化するアタッチメントへの対応性の向上・更なる複合操作性の向上・自動制御化への対応性向上・名エネなどのニーズから、電子制御ロードセンシング（圧力補償式、負荷補償式とも呼ぶ）システムが使われ出した。本システムは1980年代には、いち早くコマツが採用していたが、ミニショベル等でも使用されるようになった。以下ロードセンシングシステムについて説明する。 (1)ロードセンシングシステムの基本的な構成と作動ロードセンシングシステムでは、従来のオープンセンターシステムではなくクローズドセンター方式を使用するが、まず両者の違いについて双方を比較しながら説明した後にロードセンシングシステムについて述べる。
(2)オープンセンタシステム
オープンセンタ式では、中立時においても常にポンプからバルプ内に高圧油が流れていて必要に応じ、スプールを開いて使用する。図4.27にオープンセンタ式コントロールパルプの中立時とスプールを開いた時の状態を示す。一方、これに対し、高圧油が必要になった時に初めてポンプからパルプに油を流して使用する方式をクローズドセンタ式と言う。オープンセンタ式では、スプール中立位置（a）で、ポンプ吐出量はセンタパイパスラインを経由してタンクへ流れる。操作レバーを操作してスプールを変位させると、センタパイパスラインが絞られ、ポンプからアクチュエータへの回路が開く。操作ストロークを更に増すと、ポンプからタンクへ逃げている流量（プリードオフ流量）が減少すると同時に、アクチュエータへの流量が増し、操作量に応じたアクチュエータ速度が得られる。ある操作ストロークに達すると、センタパイパス回路が完全に閉じられ、すべての流量がアクチュエータに流れる。プリードオフ流量は、負荷（圧力）によっても変化する。このため、同一の操作量でも負荷の変動（増大）によって速度が変化（減少）してしまう特性がある。 (図4.28を参照)更に、複数のアクチェータを同時に操作した場合には、作動油（圧油）は負荷の軽いアクチュエータにより多く流れるため、操作性を悪化させる。前述のOHS油圧システムもオープンセンタシステムを採用しているが、これらの問題点を改善すべく多くの回路上の工夫がなされている。
(3)ロードセンシングシステム
オープンセンタ方式は前述のように、同一の操作レバー角度であっても負荷により速度が異なったり、複数のアクチュエータを同時操作すると負荷の軽い方が優先的になったりする欠点がある。それを解決するために考えられたのがロードセンシングシステムである。ロードセンシングシステムでは、コントロールパルプはクローズドセンタ式で圧力補償弁を備えている。圧力補償弁は図4.29に示すように、スプール弁（絞り）前後の圧力差（差圧P = PIN - PL）を目標値(目標ロードセンシング(LS)差圧：以下目標LS差圧と言う）に保つ働きをする、ここでPIN =スプール上流の圧力、PL =負荷圧力を表す。図4.29の右図において、絞りを通過する流量Qは、理想的にはQ = c × a√ 2g × ∆ P/ y (ここで、c:流量係数、a:絞り開度、g:重力加速度、 y ：油の比重）に従うため、差圧（△ P）を圧力補償弁によって一定に保つことができれば、通過流量はスプール弁の縦り開度、すなわちストロークによって決まり、負荷圧力には依存しなくなる。よって図4.30に示すように、負荷に関係なく操作レパーの操作量に応じたアクチュエータの速度が得られることになり、操作性が向上することになる。一方、ポンプの吐出圧力は、ロードセンシングポンプシステムで制御される。図4.31に一般的なロードセンシングシステムの回路例を示す。図4.31において、各スプールを作動させた内の、最大負荷圧力Prがシャトル弁により検出され、それがポンプレギュレータへ導かれる。ポンプはレギュレータパルプのスプリング力によって、常にポンプ圧力Ppが最高負荷圧力Prに対し、目標LS差圧（一般的には1MPa程度）分だけ高くなるように制御されている。すなわち、ロードセンシングシステムは、最高負荷圧力に対する圧力補償をポンプ制御で行い、最高負荷圧力より低い負荷圧力の圧力補償を各パルプの圧力補儀弁で行っていることになる。先に述べた通り、ロードセンシングシステムにより、負荷に関係なく操作レバーのストロークに比例した良好な操作性が得られるが、このシステムでは以下の２つの大きな問題がある。 ①サチュレーション油圧ショベルのような、一定馬力制御で個々のアクチュエータがフルに近い馬力を配分するシステムでは、複数のアクチュエータを同時に操作した場合、ポンプの供給油量が不足してしまう。 (この状態をサチュレーション状態と言う）サチュレーショ状態では適正な差圧△ Pが得られないため、圧力補償弁が適正に機能せず、作動油は負荷圧力の低いアクチュエー夕側に流れてしまうので負荷圧力の高いアクチュエータの速度が極端に遅くなり、結果として複合操作性が悪くなる。この様子を模擬的に図4.32に示す。
②慣性負荷の駆動
ロードセンシング制御は、操作レパーの操作量に応じて正確に圧油を送るシステムで、そのためにスプール上流の圧力PINを目標LS差圧分だけ高く保つように制御している。しかし慣性負荷の大きい旋回モータの場合、旋回速度の変化よりも起動停止時に発生する圧力変化により、起動時のショックや加速時のハンチングなどが発生する。このように、ロードセンシング回路についても、油圧ショベルの回路標成面でみて、長所も多いが短所もあり完全無欠な理想的回路とは言い難い。従って現在は、オープンセンタ方式も含め油圧回路は、これらの回路に改良を加えながら各社独自の考え方で使用されている。
4.2.11 ELLEシステム
1990年に市場からの多用途性、複合操作性の向上、省エネなどのニーズに対応してロードセンシングシステムを応用した日立EX200-2型ELLEシステム(Electronic Load-sensing Excavation System)が登場した。ELLEシステムは、従来の2ポンプ方式から1ポンプ方式にして、必要流量に応じて自由に設定して分配することで複合性、省エネ化、自動化への対応性向上を追求したロードセンシングシステムであり、 E-P創御、コントロールバルプ制御は、総合的に専用コントローラで電子制御している。このシステム概要を図4.33に示す。各スプールには、それぞれ圧力補償弁が設けられ、図4.34に示すようにスプール前後の差圧をスプリング力で決定するとともに、付加的に比例電磁弁を介して個別に創御が可能となっている。 ELLEシステムでは、従来のロードセンシングシステムの差圧制御などを電子化（コントローラ）している。切替バルプの上流と下流の差圧を、センサで把握してコントローラに入力している。同様に各スプールの比例電磁弁信号もコントローラに入れ、これらの情報をもとにコントローラで総合的に演算してポンプに指令している。このように創御を電子化したELLEシステムの特徴として以下が挙げられる。
(1)ノンサチュレーション制御が可能となっている
ロードセンシングシステムの課題であるサチュレーションを解消するためコンビュータを使用して圧力補償弁の作動圧力を、差圧△ Pにバランスさせるように削御（ノンサチュレーション制御）している。これにより、差圧が目標差圧まで達していない場合でも正確な分配制御が可能となっている。この結果、サチュレーション状態になった場合、全体の動きは減速するものの、各アクチェータへ供給される圧油は、操作レパーの操作量に応じて分配され、複合操作性は確保される。
(2)流量の個別配分の設定が可能となっている
アクチュエータ供給流量の最大値は、従来システムででは油圧ポンプの最大値で決まるが、ELLEシステムでは各バルプの、スプールの開口面積を調整することで任意に決められる。従って図4.35のように機械の仕様に応じてアクチェータ供給流量を最適に調整できる。また予備スプールを使用して各種のアタッチメ
(3)慣性負荷制御が可能となっている
旋回動作は、停止時に大きな慣性負荷が掛かり、スムーズな停止をするためにはこのことを考慮した回路構成が必要である。ELLEシステムでは、旋回動作時の作動圧が高い場合には停止時の慣性負荷も高いことから、作動圧に比例して流量が変化する慣性負荷用圧力補償弁及び制御システムの開発により、好適な旋回創御を実現している。
(4)  ELLEシステムの評価
ELLEシステムはコンビュータを使うことにより、油圧ショベルによる掘削作率などが、茶人のオペレータでもある程度の操作が容易にできるシステムである。しかし従来はある程度オペレータの技量で行っていた複合動作などが逆に今までと違い機械側で行うため熟練したオペレータからはかえって自分の思い通りに動かないとの批判が多く出た。これらの例も含めて油圧ショベルの回路システムは機械の大きさや各開発メーカの思惑なども絡み、今まで説明した油圧システムが混在して現在に至っている。
4.2.12    CLSSシステム（コマツPC-6型）
1993年にコマツからPC200-6が発売された。この機械も前項で説明したELLEと同様にロードセンシングシステムを採用して複合操作性の向上を図ったものでCLSS  (Closed center Load Sensing System) と呼ばれている。その概要図を図4.36に示す。ントを使用する時、スプールストロークを調整することにより、各アタッチメントに適合した流量調整が容易に行える。 CLSSの特徴は、1ポンプのELLEとは異なり、2ポンプを用いた圧力補償付ロードセンシングシステムである。これにより作業レバーストロークが、ハーフでもフルでもポンプから出た油の全量がアクチュエータに行き渡るようにできることと、2つ以上のアクチュエータを同時操作しても負荷の大きさに影響されることなくレバー操作量に応じてポンプ吐出量が各々に分配できるようになったことである。このようにELLEシステムやCLSSシステムでは、ロードセンシングシステムとコンビュータ制御の活用により、ユーザの作業ニーズや省エネに対応できるように考えて開発されている。特に1990年代以降、作薬内容に応じた「作薬モード選択」以外にも種々の機能を備えた油圧ショベルが開発された。以下にその例を挙げると、動きを滑らかにする機能を実現する微操作モード（ソフトモード)、溝掘削で壁に押し付けながら掘削が出来る「溝掘削モード」機能、プーム・アーム・パケットの動作を記憶させておきコンビュータでプレイパックさせる機能、土砂がパケットに付着して落ちない時にフロントに振動を与えることができる機能などがあるが、そのほかにもプームと旋回のパランス（流量配分）をスイッチで選択できるような便利さを備えている。更に全自動直線掘削（ならし作薬)、狭隘な場所での３方向範囲設定、シリンダエンドでのショックを和らげる電子クッションなど、ロボット化を見据えた各種の創御技術が開発された。しかしこれらのコンビュータを利用した技術は、最終的には機械を運転するオペレータが必要と感じるか否かで判断され、彼らにとって必ずしも必要機能でない場合も多くある。またオペレータの運転技量を妨げることにもなりかねない。このような背景があって、 2000年代になって油圧ショベルの制御技術は、自然にあるべき姿に落ち着いて現在に至っている。1990年代に進化した電子創御技術は2000年代には楕報化が加わり更に進化発展することになるが、詳細は4.3項で説明する。
4.2.13油圧システムの適用状況
今まで説明してきた通り、より使いやすい（複合性・操作性）油圧システムを追求してきたが、現在では各油圧ショベルメーカが機械の大きさなどを考慮して個別に選択採用している。油圧システムを大別すると表4.2のようにオープンセンタ式とクローズドセンタ式になる。
②適用メーカは添付資料（3）世界の建設機械のアライアンス状況を参照オープンセンタ式は、油圧ショベルではOHS系に、ミニショベルでは3P系にほぼ集約されている。クローズドセンタ式（ロードセンシングシステム）は、油圧ショベルではポンプやパルプの制御に電子制御を併用した方式、ミニショベルでは、純油圧制御方式が主に使われている。さらに各種制御技術としては、今まで説明したモード切替、スピードセンシング、ポジコン/ネガコン、リリーフカットオフ削御が、ほほ例外なく組み込まれている。
4.2.14技術革新した油圧機器
油圧ショベルの進化は、今まで述べたように油圧システムの進化によるところが大きいが、システムだけでは最適な動作は出来ない。個々の油圧機器の国産化してからの進化発展があって成し得ている。本項では進化の過程は省略するが、現在採用されている主な油圧機器について説明する。
（1）主要油圧機器
油圧ショベルに使用されている主要機器（油圧機器以外も含む）の配置を図4.37に示す。油圧ショベルに使用される主な油圧機器には図4.37に示すように、油圧ポンプ装置、コントロールパルプ、パイロットパルプ、走行装置、旋回装置、油圧シリンダなどが挙げられる。その構造や特徴について以下に述べる。
①油圧ポンプ装置
油圧ポンプ装置は、図4.38に示すようなエンジンの回転動力を伝えるカップリング、トランスミッション、メインポンプ1、2及びパイロットポンプなどから構成される。ポンプは油圧ショベルが開発された頃には、3.2.2（1）で説明した定容量型（PF型）のギヤーポンプが使用されたが、その後油圧の高圧化が進み可変容量型（PV型）のポンプが多く使用されるようになった。ギヤーポンプの場合、その構造及び使用する材質などから通常20.6MPa程度が限界であり、現在では小型のミニショベルでもPV型ポンプが主流となっている。また国産化された当時は、パルプなどの制御は横械式操作レバーが採用されていたが、その後油圧を使用してバルプを制御するようになり、更にはポンプの流量調整にも油圧が必要になったことから、これらの制御を受け持つパイロットポンプが一体で組み込まれるようになった。このような経緯もあって、ポンプ装置は1970年代頃には油圧機器メーカの標準品を採用されることが多かったが、その後油圧システムの高度化に伴い複雑な制御部品も一体化する必要性から各メーカとも独自の装置を開発するようになってきた。図4.38は可変容量型斜軸式アキシャルプランジャーポンプで、1個のハウジング内にポンプ１とポンプ2が組み込まれている。パイロットポンプ3はギヤーポンプである。ポンプとバルプの制御のためのポンプ吐出圧センサ4、5やポンプコントロール圧センサ8、9などを周囲に装備している。 2:ポンプ2 4 :ポンプ1吐出圧センサ6:ポンプ流量上限制御電級弁8:ポンプ1コントロール圧センサ10:トランスミッション3:バイロットポンプ5:ポンプ2吐出圧センサ7:トルク削御電磁弁9:ポンプ2コントロール圧センサ11:カップリング図4.38 ボンプ装置4:プランシャ5:バルププレート 6:シリンダプロック図4.39  メインボンプ各ポンプのシャフト３は、７本のプランジャ4を介してシリンダプロック6につながっている。シリンダプロック6の片端は、パルププレート5と摺動する。各ポンプは、吐出量制御用のレギュレータ１を備えている。次にポンプの吐出原理を図4.40で、ポンプ吐出量を変化させる制御を図4.41で説明する。図4.40において、シャフト回転によりシリンダプロックが回転し、シリンダプロック軸の傾きによりプランジャが往復運動を行い、パルププレートの吸込み側からブランジャ内に流入した油は圧油となって吐出側から吐き出される。次にポンプの吐出量創御は、図4.41において、シリンダプロック３の傾転角αを変化させ、プランジャ2の作動ストロークを増減させて行われる。シリンダプロック３の傾転角の変化は、サーボビストン６の上下により行われる。バルププロック4はサーボビストン6とビン5で連結されている。パルププレート4はハウジングで円弧上にガイドされている。図4.41  ボンプの吐出量制御図4.39で説明したレギュレータ1は各種信号圧を得てサーボビストン制御回路を開閉し、シリンダプロックの傾転角を変えてメインポンプの流量を制御する。レギュレータの主な制御機能は「外部コンペン制御」、 「リリーフカットオフ創御」、「スピードセンシング創御」である。スピードセンシング制御とは4.2.4の（1）で説明した馬力制御の一つでメインコントローラが、エンジンの目標回転数と実際の回転数をデータとして演算し、エンジン回転数が下がっていると、ポンプのレギュレータはトルク制御電磁弁からパイロット圧を受け、ポンプ吐出量を減少させエンストを防止する。 ②コントロールバルプコントロールパルプは、オペレータにより直接操作されるもので、油圧回路の圧力、流量、流れの方向を制御し、アクチュエータを動かすための基幹部品である。油圧システムの進化に伴ってパルプ回路が複雑化しており、現在では油圧機器メーカが標準的に生産するパルプでは対応できなくなっている。従ってパルプは現在では、油圧ショベルメーカが直接に、あるいは油圧機器メーカが本体メーカの特殊仕様に合わせて開発した製品が採用されるようになった。油圧システムで説明した2P2Vシステムの代表的なコントロールバルプの外観図を図4.42に示す。国産化された当時のコントロールパルプは、2つの個別のバルプが横に並べられて使用されていたが、最近は２つのパルプを縦にして一体化、コンパクト化を図ったり、横に並べていたバルプを縦に配置するなど工夫がなされてきている。バルプ本体には、各ポートに切替え用スプールが組み込まれているほかに、メインリリーフ弁、オーパロードリリーフパルプ、連通弁、再生弁、合流弁、流量制御弁、パイパスカット弁など、関連する機能部品が一体で組み込まれている。 ③パイロットパルプ（リモコン弁）パイロットパルプは、コントロールパルプのスプールを動かすためのバイロット圧を削御するための弁で、リモコン弁とも呼ぶ。PPC (Pressure Proportional Control）機能を持ち、操作レバーの操作ストロークに応じた圧力を出力する。油圧ショベルに使用されているリモコン弁には走行レパー用などに使用される前後２方向に動く２ポート式と作業用操作レパーに使用される前後左右４方向に動く４ポート式がある。図4.43にパイロットパルプの構造及びストローク一出力線図を示す。操作時にはポートPPには常にバイロット圧が掛かっているが、操作を行わない（中立時及びレバー遊び時：B – C間）時には、コントロールパルプへの出力口には圧油は流れない。操作レバーを少し傾けると(C − D間)カム1が傾き、プッシャ2が押し込まれる。プッシャ2とスプリングガイド3は一体となり、リターンスプリング５を押し下げて下方に動く。この状態は、スプール6の穴部がポートPPにつながるまで続く。さらに操作レバーを傾けると、スプール6の穴部がポートPPに達し、ポートPPの圧油はスプール6の底部に作用してスプール6を上方に押し上げようとする。スプール6に作用する圧油の力がパランススプリング4のパネ力より小さい時は、パランスススプリング4は縮まらず、スプール6は押し上げられずに、コントロールバルプへの出力口の圧力は上昇し続ける。さらに出力口圧力が上昇すると、スプール６を押し上げる力が増大する。この力がパランススプリング４のパネ力より大きくなるとスプール6はパランススプリング4を縮めて上方に移動する。そしてスプール6が上方へ移動すると、穴部７が閉じてポートPPからの出力口に油が流れなくなり、出力口の圧力上昇が止まる。このようにスプール６が押し下げられた量だけパランススプリング４が圧縮されて、この時のバネ力とスプール6に作用する圧力が出力口の圧力となってパルプに作用する。フルストローク時（E − F間）においてはプッシャ2と連結しているスプリングガイド３がケーシングの段付き部に当るまで動く。この時、スプール6はプッシャ2によって直接押される。したがって、出力口ポートの圧力が上昇してもスプール6の穴部は閉じず、出力口ポートの圧力は、PPポート圧力と同じになる。このように油圧パイロットパルプは、単に操作レバーの操作角に比例した圧油を送る機能だけではなく、油圧ショベルの機能や動きが最適になるようにストロークと出力の関係を追求して開発されてきたものであり、これが油圧ショベルの操作性の良さの一部を担っている。 ①走行装置走行装置は国産化後、暫くは図4.44- ①の写真のように油圧モータと平衡車式減速機を組み合わせた形で製造された。その後、国内技術の進化を得て現在は、走行モータと減速機を一体にした図4.44- ②の右図に示すような専用型走行装置として製造されている。油圧ショベルの走行は、車体が重いことと方向変換（ステアリング）が、クローラの片側を停止させ、もう片側の駆動輪を動かして、停止側を滑らすことで行われるという機構ゆえに、速度は、それほど求められないがタイヤ方式などに比べると非常に大きな力が必要になる。国産化された1970年代には、低速で力の出る油圧モータは国内には存在しなかった。そこで各社とも減速機を組合せて大トルクが出るように工夫した。しかしながらどうしても駆動軸に直結するため図4.44- ①の写真のようにモータや減速機が出っ張ってしまい、不整地や障害物がある現場ではモータ等が損傷することが多かった。 1977年に、当時フランスで開発されていた低速大トルクモータをモデルとした油圧ショベル専用の走行モータを日立建機が開発して、減速機無しで駆動できるようになった。それ以降、油圧機器メーカ及び車体メーカが低速大トルクモータを次々に開発するようなってきたが、その後は、信頼性や汎用性を考慮して遊星減速機と組み合わせた方式が主流となった。走行モータの国内開発に加えて油圧ショベルで使用されるポンプやパルプなど機器類の開発が日本の油圧技術を同上させたと言える。なお図4.44- ②の走行装置の構造は、アキシャルプランジャモータを減速機に内蔵したもので、減速は３段式の遊星歯車を使用している。またモータ内部の概造は図4.45に示す。図4.45において斜板の傾きは、高速及び低速の2段に切替できるようになっている。駐車プレーキは湿式多板型ディスクプレーキで、プレーキ解除圧油がプレーキビストン室に入ると、プレーキを解除するネガティブ構造で、走行時以外は皿パネにより常時自動的にプレーキONの状態になる。一方、走行減速機は図4.44にあるように、遊星３段減速で走行モータの回転を減速し、スプロケットを介して履帯を回転させる。走行モータ軸とプロペラシャフト7はスプラインで接続されている。回転は1段目プラネタリギヤ8、1段目キャリア6、次に2段目サンギヤ5、2段目プラネタリギヤ9、2段目キャリア4、更に３段目サンギヤ3、3段目プラネタリギヤ10、3段目キャリア２を介し、リングギヤ１に伝達される。走行モータのハウジング14は、トラックフレームに固定されていると共にベアリングナット11により3段目キャリア２にも固定されている。リングギヤ1、ドラム13及びスプロケット12はそれぞれボルトで連結されていてリングギヤ１と一緒に回転する。モータにはプレーキバルプが直結され、中にはカウンターパランスパルプ、チェックパルプ、オーパロードリリーフパルプ、シャトルパルプなどが内蔵されており、降坂時にショベルが自重で逸走しないように回路標成している。 5歳回装置旋回装置は、走行装置を縦型にしたと考えて良い。旋回装置は図4.46に示すように、旋回モータ、旋回減速機及びパルプユニットで構成される。また減速機には遊星減速機を用いている。旋回減速機の最終軸はビニオンになっており上部旋回体の中心部に配置され、旋回ベアリングの内側にあるギヤと噛み合っている。旋回モータを回すことにより、地面に設置されている下部走行体に対し上部旋回体が回転をする。旋回停止時に回転をゆっくり減速させるために、モータ上部にバルプユニット（プレーキバルプとも言う）を装着している。停止時の慣性力でA又はBポートに発生する高圧を、リリーフパルプでタンクへ逃がすことで級やかに停止する。しかしこの時にリリーフで逃げた油を補充しないとキャビテーションが発生するため、メークアップパルプが組み込まれタンクから油が補充される。パルプユニットは、あくまでも旋回停止時の減速動作用として装着されるもので、停止した後は、走行モータと同様にモータ内部の内蔵された湿式多板型ディスクプレーキで保持される。 ④油圧シリンダ油圧シリングは、ポンプから供給される油圧のエネルギーを、直線運動に変換するアクチュエータである。図4.47にその構造を示す。大きく分けるとシリンダロッド、シリンダヘッド部、ビストン部、シリンダチュープで構成される。油圧シリングは、過去からいろいろな産業分野で広く使用されており、ここで特段論ずべきアクチュエータでもないが、使用する現場が屋外であり、負荷も過酷であることから、今まで幾多の改善がなされてきた。その中でも特にヘッド部のシール構造は、河川での使用や塵埃の多い現場での使用を考え、一般のシリンダでは無い軸受けプッシュ(8)やダストシール(2)を入れて歴埃の巻き込み防止を図っている。更に油洩防止するため、メインシールの２重化（4、5）を図って安全性を向上させている。一方ビストン部にも中央にメインシールアッセン（19～21）を配置し、左右からの高圧油の他室への流入を防ぐとともに、その両サイドにはスライドリングを組込み、シリンダの横荷重を支えるようにしている。油圧ショベルの各シリングは作動速度が一般に早い(一般に３～５秒程度)このためシリンダストロークエンドではケース後部やヘッド部とビストンが衝突し衝撃を受け、また大きな音を発生する。そこでクッションベアリング（14）（15）を装落して両端部に近づいたら、このクッションベアリングで流入穴（通過面積）を小さくすることで速度を落とすようにしている。このように油圧ショベルの進化は、油圧機器の技術革新があって成し得ていると言っても良い。1970年代から日本の油圧機器メーカと本体メーカが、ともに協力してきた結果である。しかしその後1980年代後半から本体メーカは、国内において過酷な価格競争を強いられて、油圧機器コンポーネントの内製化（自社内で製造する）が進むようになってきている。特に電子化技術の導入進化に併せて油圧創御技術も高度化してきており、油圧機器も含めて総合的開発が求められてきている。
4.3電気システムと電子制御化技術
油圧ショベルが国産化された1965年当時の運転席には、エンジンを始動するスタータスイッチやエンジンの状態監視のためのエンジン油圧計、水温計、エンジン回転計などが電気関連設備として設置された。その後、油圧回路の進化に合わせて、ポンプ創御やエンジン回転制御など電子制御システムが必要になり、開発され搭載されてきた。更にその後も、ユーザの作薬ニーズによるモード選択機能や安全確保のための機能など、次々に新しい機能が盛り込まれて現在にまで至っている。その電気・電子関連の進化の概要を表4.3に示す。
上記のように、エンジンの始動や運転状態を監視する部分については、80年代中頃から、液晶モニタが採用され始めた。その３年後位から、複合性や省エネなどが電子制御されるようになってきた。これらの電子化の内容と目的を整理すると図4.48のようになる。電子化の流れを、20t級油圧ショベルでみると、まずパワー系の電子制御から始まった。コマツは、1984年にPC-3型に「電子OLSSシステム」を開発し搭載した。このシステムでは、不稼働時にエンジン回転を自動的にアイドリング回転数までに下げ、省エネや低騒音化を図るオートアイドル（オートディセル）、エンジンスビードセンシング、ポンプの入力トルクを選ベるモード切替えが可能となり、本格的な電子化がスタートした。 1986年発売の日立EX-1型には、エンジンとポンプを同時に創御して省エネ、低騒音化、操作性向上を図る「E-P創御」がパワー系の電子制御として開発され搭載されている。操作系の電子制御として、1990年に登場した日立ELLE（ロードセンシング）システムでは、ポンプと操作スプールに設けた圧力補償弁を電子制御することにより、各動作の必要流量の制御を行った。（詳細は4.2.7 ELLEシステムを参照）それ以外にも開発された電子制御の例として、ミニショベルなどでフロントが運転席に干渉する危険範囲に来たら自動的に停止する干渉防止システムなども挙げられる。運転席の計器盤は、「表4.3　電気・電子関連の進化の具体例」でも判るように1990年頃には液晶モニタ(LCD)のセグメント表示が用いられるようになった。その後2000年代に入り情報量が増え、計器モニタはLCDのドットマトリックスのマルチディスプレイが用いられるように進化した。これにより故障時は、トラブルシュート面面に切り替えることが可能となり、オペレータやサービス貝がトラブル判断しやすくなった。この詳細は「4.3.2　運転席情報表示モニタの進化」で説明する。また2000年代には、トラプル情報や稼働情報を、GPSを使用してメーカやユーザが管理できるシステムが標築され始めたが、この詳細は「4.3.4　IT化による機械管理の進化」で説明する。
4.3.1 電子制御システム
(1)電子コントロールシステムの構成
電子制御システムが1980年代中頃から油圧ショベルの創御に多く使われ出してきたが、そのシステムについて具体的説明をする。まずは、電子コントロールシステムの基本標成を図4.49に示す。本体各部に回転数や負荷圧力、油温及びポンプ傾転角を把握するためのセンサを装備している。オペレータが選択をする作業モードやエンジン回転数（エンジンコントロールダイヤル）の情報と各センサから送られてきた情報を基に、メインコントローラ(MC：Main Controller)で演算する。演算結果に基づきエンジンコントローラ(EMC：Engine Control Module）を介してECモータやポンプ吐出量（比例電磁弁によるバイロット圧制御）などの制御を行う。
(2)エンジン制御
図4.50にエンジン制御システムの一例を示す。エンジン制御には、エンジンコントロールダイヤル制御、モード切替え制御、オートアイドル制御、その他制御などがある。例えばモードスイッチを選択するだけで、MCからECMを介してエンジンの回転数を、あらかじめ設定されたモード回転数に設定できる。また最近のモデルではECモータでメカニカルガパナレパーを駆動する方式から、電子ガパナ方式に変えて排ガス規制対応を行っている。
(3)ポンプ制御システム
図4.51にポンプ制御システムの一例を示す。ポンプ制御には、エンストを防止するためのスピードセンシング制御（トルク制御電磁弁経由）を始めとして、各種アタッチメントの装着時に使用される流量制限制御（ポンプ１及びポンプ２流量上限制御電磁弁経由）やトルク制限制御（トルク制御電磁弁経由）などがある。例えばスビードセンシング制御では図のようにエンジンの回転数が低下した場合、回転センサからECMを介してメインコントローラ（MC）に信号が送られMCからの指令でトルク制御電磁弁を介してポンプレギュレータを作動させパランスさせる。同様に油圧の負荷が増大した場合は、各ポンプ吐出圧センサからの電気信号をMCにて演算してエンストを起さないようにポンプに指令されP – Qラインが削御される。ボンプ制御システム例（スビードセンシング制御）
(4)バルブ制御システム
図4.52にパルプ制御関連機器とその系統図の一例を示す。パルプ制御は、電磁弁ユニットを介してコントロールパルプを創御するものでパワーデギング創御・オートバワーシフト制御（電磁弁ユニットSC経由で一時的にリリーフ圧を上げる)、アーム再生創御（SC経由）、走行モータ領転切替え制御（SI経由）、使用するアタッチメントの必要流量に合わせて吐出量を調整する予備流量制御などがある。これらの制御には、操作バネルに配置されるモードスイッチなどを選択することにより創御機能が作動するもの（パワーデキングや走行モータ傾転切替え制御など）と予め設定されていて負荷圧などから自動的にMCで計算されて制御指令されるもの（アーム再生なと）がある。例えば図4.52で、パワーデキングスイッチを入れるとMCから電磁弁SGを介してメインリリーフ圧を一時的にアップさせ、スイッチを押したときのみに掘前力がアップして力強い作業が可能となる。また走行は最もバワーを必要とするが、フロントを動かしながら走行するとポンプパワーがエンジンパワーを超えてエンストをする。そこで負荷圧力とポンプ吐出圧力からのセンサ信号のデータを、MCで演算し、その結果(前御の流れ)に基づいて電磁弁SIを介して走行モータを低速に切替えパランスさせる。この場合、走行速度は若干遅くなるが複合動作は可能となる、このような電子制御には、通常DC24V（ミニショベルの１部はDC12V）の電気を使用しており、一般汎用AC100Vでは使用できない。またコントローラは、ショベルの走行時及び作業時の振動（約5～10G）に耐える必要がある。以上のことから製品ごとに個別に開発されている。なお、油圧パルプ等の創御は、制御用ポンプ（バイロットポンプ）回路が構成されており、飼御用電気出力はこの油圧制御回路を介して本体を削御することになる。国産化当時には、操作パルプは機械式レバーであったが、その後油圧パイロット式になり格段に軽くなって使いやすくなった。
4.3.2 運転席情報表示モニタの進化
油圧ショベルに電子創御が組み込まれてくるに連れて、運転席のモニタも進化発展してきた。国産化当初はエンジン状態を監視するための水温計、エンジン油圧計、回転計などが個別に運転席に配置されていた。その後、1980年代になると機械各部の異常を知らせるセンサが搭載され、各計器類と一体化して監視モニタとして装備されるようになった。図4.53に運転席情報表示モニタ（操作含む）の例を示す。 1990年中頃から、機械式燃料レバーの電子化（ダイヤル化）や作業モードスイッチ追加及び表示モニタの電子化などを受け、表示操作系部品の一体化が図られた。そして2000年以降も各メーカは独自の機能を付加して開発しているが、運転席の視界確保を図るためには「小型で見易く且つ幅広い情報を表示する」ことが求められ、目的により切り替えて表示する「マルチ切替え式」に進化している。
4.3.3 稼働情報管理システム
1990年頃から油圧ショベルの電子制御が使われるようになり、エンジンや油圧回路の状態診断やトラプルチェックを行うためには、電気系と油圧系の両方を見て判断する必要が出てきた。そのためにメーカは、専用の診断器を準備して対応をしてきた。その後2000年頃から、表示モニタにマルチディスプレイが使われるようになり、これを使用すると情報量が多くても、モニタ表示画面を切替えて表すことにより、機械の状態などを把握することが可能となった。(図4.53参照)これにより、機械管理に必要な稼働時間や燃料の量などはもちろん、稼働時刻や稼動時の負荷状況並びに設定圧力、吐出量など必要な項目について、センサを付けてデータを取り、それを蓄積することが可能になった。
4.4    IT化による機械管理の進化
1990年頃から車体の電子制御が進み、更にマルチディスプレイとなり、車体に機械の稼働履歴など多くの情報が蓄積されるようになったが、この情報の有効活用を図るための開発に各メーカが積極的に取り組んできた。その例を「日立e-Service」と「コマツKOMTRAX」の例で説明する。
4.4.1日立e-Serviceの例
2000年に発売したZX200は「e-ショベル」と称され、薬界で初めて低軌道周回衛星（LEO）を使用する通信機能を車体に搭載したものである。これによりIT化（情報化）が始まった。すなわち蓄積された稼働情報の遠隔での把握や稼働現場の位置把握ができ、メーカとユーザの双方に面期的なメリットをもたらした。そのシステムの概要を図4.54に示す。なお本システムでは車体システム、データ転送システム、 WEBシステムの３要素で構築されている。油圧ショベルの稼働管理システム（日立e-Service）（出展：日立建機）
(1)車体システム
車体システムの全体構成を図4.55に示す。車体内には、エンジン制御用電子ガバナECU (Electronic Control Unit)、油圧システム制御用ECUを備えており、これらが情報を授受して車体全体を創御している。更にこれらのユニットと「稼働情報取集用ECU」がCAN  (Controlle Area Network) により有機的に結ばれている。
(2)データ転送システム
車体の稼働情報収集用ECUに蓄積された稼働データの回収には、パーソナルコンビュータを接続して車体から直接ダウンロードする方法と通信手段を用いた転送方法とがある。通信手段としては、LEO（低軌道周回衛星）、静止衛星、携帯通信（地上波）などがあるが、本システムの場合は車体に蓄積されたデータは車体の通信矯末から静止通信衛星などを介して地上局に送られる。
(3)  WEBシステム(稼働管理)
WEBシステムは、送られてきた稼働データを格納し、これらのデータを使用して比較又は分析を行うデータサーバと、これらの情報をWEB上に公開するWWWサーバなどで構成される。ユーザや販売ディーラは登録したIDとパスワードを用いてログインすることで、WEB上から機械のデータを閲覧できる。またデータサーバは修理点検用情報サーバ（図示なし）ともリンクしている。
4.4.2  コマツKOMTRAX（コムトラックス）
2001年にコマツが「KOMTRAX」を油圧ショベルに標準装備し、更に進化させている。日立「e-Service」を更に進化させ、GPS機能を標準装備してグローパルに展開していることと、ユーザに対するサポート内容を充実させたことが特徴となっている。図4.56にその基本システムの概要を示す。
(1)基本システム
車体システムの全体構成を図4.56に示す。車体の楕報は、コントローラA及びBからKOMTRAXターミナルに入力される。また車体の位置がGPSデータからアンテナを介してKOMTRAXコントローラに入力される。これらの情報は低軌道通信衛星や携帯電話通信（地上波）を介してデータサーバに送られインターネット経由で顧客やメーカに配信される。
(2)稼働管理システム
このシステムでは、GPSを搭載した機械を、世界のすべての国に提供することで、世界で稼働する機械の一元管理を可能とした。これにより世界のどの地区にどんな機械が動いていて、またその機械の状態はどのようになっているかが一目で判るようになっている。さらに保守管理、車両管理、稼働管理、車両位置管理、省エネ運転支援、帳票作成などのユーザが必要とすると思われるデータや情報をサポートしている。その概要を図4.57に示す。
4.4.3盗難防止システム
1990年頃から日本の油圧ショベルの技術が向上するにつれて、海外での市場も拡大してきたが、汎用性が高く高価な日本製の油圧ショベルは中古車市場でも価格がさほど下がらない状況であった。このような背京から油圧ショベルの盗難が大きな問題となっていた。そこで1990年中頃から暗証番号（テンキー）による方式や電子キーなどが準備されてきた。しかしレンタル会社のように不特定で複数の人が使用する場合は暗証番号方式では番号の伝達などが難しかった。そこで2000年の日立「e-Service」がスタートしたことを契機にインターネットを利用した盗難防止システム「e-Guard」が考えられるようになった。e-GuardシステムはGPSシステムを利用して、予め稼働範囲を決めておき、万一盗難されてそのエリアから出た場合にはエンジンが始動しない、設定範囲から出たことをメールでユーザに配信する、盗難時にはGPS機能で追跡できるなどの機能を有している。このように2000年を契機に油圧ショベルにはIT機能が採用されてきて、現在も進化をしている。まだミニショベルなどでは採用していない製品もあるが、油圧ショベル以外の建設機械でも採用が進んでおり日本の技術はハード面のみならずソフト面でも世界をリードしている。
4.5燃費低減及び排ガス対応技術
油圧ショベルに使用されるエンジンは、ほとんどがディーゼルエンジンである。その理由としては・低回転高トルクである。 ・燃費が良い（ガソリンに対し約70%） ・トルクがフラットである。（回転数の変化に対しトルク変化が比較的小さい) • CO 2 、CO、HCの排出量がガソリンエンジンに比較して少ない(NOx、PM、黒煙排出は大きい)などが挙げられる。ディーゼルエンジンの歴史については、2008年の国立博物館の技術の系統化調査で報告されているため本稿では省略する。油圧ショベル（車体重量6t以上の中型系）で採用されてきたディーゼルエンジンは概ね表4.4のように分類できる。なおミニショベルの場合は、主要メーカが、もともとエンジン製造を行っていたこともあり、ほとんど国産自社プランドエンジンが多く、その他メーカも国産エンジンを使用している。

4.5.1　油圧ショベルのエネルギー損失
油圧ショベルは、軽油を燃料にしているが、軽油の燃料エネルギーを変換又は伝達する過程でかなりの部分が損失として失われる。図4.58にエネルギー損失を構成機器ごとに表わす。軽油の持つ熱エネルギーは、ディーゼルエンジンで機械エネルギーに変換されるが、その段階で2/3程度は熱として冷却水や排気ガスに放出される。その後エンジンの機械エネルギーを油圧に変換して、最終的には油圧モータや油圧シリンダで機械エネルギーに再度戻して仕事を行うことになる。この間で各機器や配管等で圧力損失、漏れ、回転抵抗などでエネルギー損失があり、最終的な仕事として有効に使われるのは軽油投入エネルギーの10％以下と言われている。油圧関連でのエネルギーロスは、4.2項で説明した回路システムの進化で低減が図られてきたが、一番損失の多いのはエンジンであり、省エネを図るためにはエンジン効率の向上が重要であった。このような背景の中、ディーゼルエンジンでの省エネ化は表4.5にあるように燃焼方式の変更や過給機（ターボ）の採用などが図られてきた。1996年以前は燃費低減技術のウェートが大きかったが、1996年以降は排ガス規制をクリアーしながら省エネ（燃費改善）が求められるようになってきた。現在までに主に採用されてきた技術と目的・背景を表4.5に示す。
燃費を向上させるためには、燃料噴射技術に加え、吸気系の制御を行うエアーマネジメント技術も重要である。主な技術に、直接噴射方式や排出ガスのエネルギーを利用してエンジンの吸気を増大させるターボチャージャーなどが挙げられる。また排気ガス（NOx、HC、CO、PM）規制が厳しくなった３次規制からはコモンレール式燃料噴射、クールドEGRを採用している。更に2011年からの４次規制ではPM（粒子状物質）を低減するためにDPF（Diesel particulate filter）が必要となっている。以下にこれらの主な技術について説明する。
4.5.2　コモンレール式燃料噴射装置（電子ガバナ）
排出ガス３次規制対応で採用されるようになった技術である。燃料ポンプで超高圧（≒ 160MPa）の軽油をコモンレールに送り、電子制御にて気筒ごとに、 1,000分の1秒単位の噴射タイミングで適正噴射量をインジェクタから噴射するシステムである。墳射量の最適化により、高出力化や不完全燃焼によるPM（黒煙）の低減及び低燃費化が図れる。図4.59を参照されたい。
4.5.3 インタークーラ付きターポチャージャー
インタークーラは、ターボチャージャーで圧縮されて高温になった吸入空気を一気に冷却する装置である。このようにすることにより、更に高密度の空気が得られる。高密度の吸入空気がシリンダに送り込まれると、エンジンの燃焼効率は高まり、燃費が向上し、 CO,の排出量が低減される。図4.60を参照されたい。
4.5.4  クールドEGR  (Exhaust Gas Recirculation：
排出ガス再循環)
EGRは、排出された排気ガスの１部を、再び吸入空気と混合することにより、燃焼室内の酸茶濃度を下げて燃焼をゆるやかにし、NOxを低減させる技術である（図4.61参照）。この時に燃焼室内の空気温度を上げないため、冷却水を利用したEGRクーラが装備されている。またターボチャージャー付きの場合には、吸気ポート圧力の方が排気のそれより高くなり湿流ができない事態を生ずることから、吸気量を調整するバルプ等が装備され、エンジン回転数等により削御されている。本システムは2006年度の排ガス３次規制でNOx低減が求められ、その後採用されるようになった。
4.5.5マフラーフィルタ(DPF)
マフラーフェルタは、エンジンから排出されたPM (ディーゼルエンジンから排出される粒子状物質)を除去するための濾過装置で、マフラ内にセラミックフィルタが装備されており、これがPMを捕集する。溜まったPMはマフラーフィルタ内で再燃焼され、セラミックフィルタは再燃焼により再生される（図4.62参照)。セラミックフィルタと触媒を組み合わせることにより、酸化されやすい一酸化炭素や炭化水素、粒子状物質を除去するものもある。この触媒方式ではフィルターの前段に強力な酸化触媒を置くことで、排出ガス中の窒素酸化物（NOx）を、より二酸化窒素(NO2)の多い状態にし、二酸化窒茶の強力な酸化能力でPMを燃焼させる効果がある。
1965年に国産化が始まった油圧ショベルは、掘削積込み作業で広く使われるようになったが、その後約10年を経て、その使いやすさから、バケット掘前以外での幅広い作業で使いたいとのユーザニーズが出現してきた。これに対応して、種々のフロントやアタッチメントが開発され、使用されるようになった。また本体も、使用する現場に応じて様々なタイプが開発された。このようなニーズに応えて日本のメーカが積極的にユーザの求める応用製品を開発したことが、油圧ショベルの国内普及の要因である。現在では油圧ショベルの半分は、掘削を主にした土木工事以外で使われるようになってきている。またこの応用技術により標準機も技術的にレベルアップし、日本製油圧ショベルの評価を上げる要因にもなっている。以下その標準機をベースにした応用技術製品を説明する。
5.1作業に併せたフロントバリエーション
5.1.1　土木工事の作業領域を拡大する応用製品
機械式ショベルの生産が中止になり油圧ショベルが土木工事の中心になってきた1975年頃から、都心における掘削工事や送電線工事における基礎掘削において、掘削土砂を地上に上げるためアームが垂直に伸びるテレスコビック型深掘りクラムシェルの要望が出てきた。 (図5.1参照)都心工事でテレスコピック型クラムシェルを使用する場合は、地下に掘削機を入れて掘削し、揚土する位置に予め土砂を容せる必要がある。それに使用するのがフロント部の高さを抑えたショートリーチ型ショベルである。 (図5.2参照)更に河川工事においては、より作業半径が大きい製品が求められ、掘削パケットを小さく軽くしてリーチを大きくしたスーパーロング型ショベルも、この頃出現している。 (図5.3参照)これらの製品は、フロント部が重いことなどから、作業速度や安全弁設定圧力等に配慮した油圧系統での改良工夫が施され、また本体部にも安定性を考慮した追加ウェートや特殊なガード等もメーカにより考慮されている。 (出典：日立建機) (出典：加藤製作所) (出典：住友建機) 5.1.2解体作業で使用されるアタッチメントと応用機1980年頃になると首都圏においてコンクリート概造物の解体工事が増えてきた。それまでコンクリートを解体するには油圧プレーカ（ノミを打撃振動させてコンクリートを割る装置）を使用していたが、騒音振動が多く、工事をする際に周囲から苦情が多く発生していた。それに対応するために考案されたのが油圧シリンダを利用してコンクリートを圧砕するコンクリート破砕機である。当時、解体をあまり行わない欧州には類似の製品は無く、日本の技術及びニーズにより考えられた製品である。 (図5.4 − ①②参照)同様に1980年代中頃には、1950年代以降にコンクリート造りで作られていた自動車道路が、乗り心地や騒音などの理由からアスファルト造り道路にリニューアルする工事が増加してきた。この作業で道路のコンクリート又はアスファルトを掘り起して破砕するために道路専用の破砕機が開発された。 (図5.4 - ③参照)当初解体用のこれらのアタッチメントはショベル本体製造メーカが開発したが、その後市場が増えるとともにアタッチメントを専門に開発販売するメーカが現れ、現在ではほとんどが専門メーカで開発販売している。 1961年に特区認定により100m以上のビルが認可され、また1981年には新耐震基準の導入が盛込まれた建築基準法改正が施行されたことにより、これを契機に都心でのビルの建替え工事が活発化してきた。これを受けて油圧ショベルを用いて高いビルを解体する工事が増え、ロングリーチの解体機（ハイリフト）の開発が始まった。 (図5.5 - ①参照)これ以降各メーカは、効率の良い解体作業を目指して、より高くまで届くフロント、より大きなコンクリート破砕機を、次々に開発してきた。特に2000年頃から30mを超える建物の解体が多くなり、それに合わせて解体ハイリフトフロントに専用の油圧ショベルが開発されるようになった。2005年には、コベルコ建機（株）から地上65mまで解体ができるSK3500が発売されギネスプックに登録された。 (図5.5 – ②参照）解体用機械は、破砕機で発生する数百トンの破砕荀重を支えることから、通常の掘削機と違いフロントに加わる荷重は非常に大きい。従って構造物の設計は十分な強度をもってパランス良く行う必要がある。日本のメーカは、FEM（Finite Element Method）解析を強度計算に取り込んだり、実負荷試験を行ったりしてこれらの課題を克服して構造物に対する信頼性を高め、モノ作り技術で世界に負けない製品を生み出してきた。またロング解体機では通常先矯部が運転席では見えない。そこで運転席を上に向けるチルト式キャプ(図5.5 －③参照)、輸送時の分解性を考慮した構造など、ユーザニーズを綿密に取り入れた開発をして、世界をリードする解体仕様油圧ショベルを完成させた。 (出典:日立建機) (出典:コベルコ建機)図5.5  解体用ハイリフトの進化
5.1.3スクラップ業及び林業作業など土木作業以外
で普及貢献する油圧ショベル
油圧ショベルの技術が確立し、性能が向上してきた1980年代の中頃からは、先に述べた解体作業やクレーン作業といったような、本来の土木作業以外に普及し始めた。その要因はショベルが「人間の腕のように3関節で、その動きが滑らかなことにある。この油圧ショベルの機能を生かしてスクラップ用ハンドリング機、マグネット仕様機（図5.6 - ①参照）、自動車解体機、基礎機械、林薬仕様機（図5.6 －②参照）など
5.1.4　狭い現場で稼働できる超小旋回型及び側溝掘
り型フロント
油圧ショベルが国産化され、その６年後にはミニショベル（重量6t以下）が国産化された。ミニショベルの発想は、都市土木や農薬、林薬の省力化ニーズから生まれたと言われている。当時はホイール走行体の後部にフロント部がスイングできるタイプ（海外輪入品）で使われていた。1971年に全旋回できるクローラ式のミニショベルが開発されて、その後農機、建機、林寒機械のメーカが次々にこの分野に参入し、シリーズの拡大及び高性能化を進めた。1970年代後期には国内にミニショベルのメーカは20社ほどあった。 1980年代に入ると都市部を中心に、クローラ幅内で旋回できる超小旋回型のニーズが発生した。これは上部旋回体がクローラ幅内で旋回出来れば工事に占有幅が小さくて済む、旋回時に後ろを気にしないで旋回できる、ことからである。この先駆けとなったのが、 1980年のレンタルのニッケンが自社用に開発した「コーヒーカップ型ショベル」である。この機械はホイール式であるが、旋回機能を2重に持っていてコーヒーカップのような動きができ、トラックの車幅内で旋回ができる。（図5.7 －①参照）これをきっかけに車幅内で旋回できるショベルのニーズが高まった。その後、1983年に小型建機専門メーカである日産機材（その後ハニックス工業に社名変更）から、今日の超小旋回型油圧ショベルの原型となるS & B22（図5.7 - ②参照）が開発され発売された。同機は、機器のレイアウトを工夫して、車体後端半径内に収め、更にフロント部はオフセットプーム（2分割プームにして先端プームを左右にスイングできるタイプ）を採用し、プームを左右にスイングすることでフロント部の旋回半径も車幅内寸法内に収めている。これにより1988年にＳ＆Ｂシリーズは（財）日本発明振興協会の発明大賞を受賞している。ミニショベルの開発当初は、クローラは鉄シュータイプであったが、市街地のアスファルト路面で使用されることが多いことから、1980年にはゴムクローラタイプが開発され広く使われるようになった。このように超小旋回型及び後方超小旋回型ショベル（第２章油圧ショベルの分類参照）は日本の作業現場の状況や安全意識の高さから生まれたニーズであり、それに日本人のきめ細かい設計マインドが重なり開発できた製品と言える。その後、製品が増加するにつれ小旋回型の定義を藻界団体である（社）日本建設機械工業会で決めている。現在では、小旋回型はミニショベルにとどまらず、中型ショベルでも開発されている。 5.1.5  信頼性の高いマイニング用大型油圧ショベル大型油圧ショベル（40t以上）は1970年代には、欧米が市場をリードしていた。日本では、1973年日立建機が国産技術でUH20（50t級）を開発して市場導入した。当時大型油圧ショベルは、採石現場や浚渠現場で使われた。採石現場では発破（ダイナマイト）で爆破させ、崩した砕石をダンプに積み込む作業に使われた。そのため地面より上に崩れた砕石を一気に積み込むローデングフロントとダンプ機能付きパケットが有効である。積み込みの際はパケットの底辺を水平に前に出してパケット内に砕石を取り込む必要がある。そのためローデングショベルには水平にパケットを動かす機構が開発され装備されている。国内においてはその後1975年に75t級、1979年に157t級が日立建機から発売、更に1995年以降には更に大きな550t級、800t級がコマツ、日立建機（図5.8参照）などから発売され、海外マイニング市場でテレックス（図5.8参照)、リープヘル、キャタビラーなどと競合している。特に大型油圧ショベルの場合は、ほぼ24時間フル稼働することも多く、油圧機器や構造物などの信頼性と耐久性が求められるが、日本製品は油圧ショベルのノウハウが生かされ、現在は世界の中で高い評価を受けている。現在世界のマイニング市場で使われているショベルの台数は2,000台以上と推定されるが、その半分は日本製品と推定できる。
5.1.6油圧ショベルを利用した特別仕様機
1985年以降、日本のマーケットにおいて油圧ショベルを利用した特別仕様機が次々に開発された。これらの商品が生まれた背景としては、市場からの油圧ショベルに対する信頼性が高いこと、油圧システムの適合性が高い、ことが挙げられる。日本における油圧ショベルの位置付けは、いかなる要望にも応えられる油圧システムを持った油圧ユニットとも言える。図5.9に油圧ショベルを利用した特別仕様機の主なものを紹介する。
（1）自動車解体機
自動車を廃棄処分する際に、エンジンや配線又はボディなどに分離選別する機械で、アーム先端のカッタで自動車の装側から押えて引きちぎる機械である。油圧ショベルに押え装置とカッタを追加で装着している(図5.9 ①参照)。
(2)分解型ショベル
鉄塔基礎工事や災害復旧工事で道路の無い山岳地帯に油圧ショベルを運べるように簡単に分解できるようにしている。ヘリコプターの能力に合わせて1～2t程度にまで分解できる（図5.9 ②参照）。
(3)リーダレス基礎機械
3関節プームの先端に油圧オーガ、スクリュー、パイプロ（振動型杭内装置）を装着して仮設基礎杭の打設を行う機械である。アーム先端部を垂直動作させるためには油圧回路の複合性と微操作性が要求され、コンビュータを使い自動制御している（図5.9 ③参照）。
(4)泥上掘削機
沼地や河川に機械を入れて掘削するショベルである。機械が沈まないように走行体はフロート型になっており水中でも浮く。東南アジアを中心に河川改修工事などで使用される（図5.9 ④参照）。
(5)テレスコピック型クレーン
油圧ショベル本体を使用してジプ伸縮型移動式クレーン（10t以下）として製品化されている。荷振れを起こさないように旋回速度は遅くしている。また吊り荷重検出表示、シリング安全弁装着などクレーン概造規格に準じて作られている（図5.9 ⑤参照）。
(6)ロータリカッタ式地雷処理機
世界で一番普及している対人地雷処理機である。アーム先端に装着されたロータリカッタで地面に埋設されている対人地雷を回転破壊させる。カッタやフロント部は地雷爆破にも耐えるように設計されている。また運転席は特殊な超強化キャプと防弾ガラスなどで設計されており運転者をガードしている。世界約10か国に納入され地雷除去に活躍している（図5.9 ⑥参照)。
5.2油圧ショベルを利用したクレーン仕様機
1980年代に入り、北海道・東北を中心に排水溝造成工事などで油圧ショベルが広く使われるようになってきた。しかし現場は足場が悪く、掘削して排水用のU字溝を埋設するためのクレーンの設置が難しい現場が多く出てきた。そこでユーザから、油圧ショベルでU字溝を吊って埋設したいとの要求があり、アームの中にウインチを埋め込んだクレーン仕様の油圧ショベルが開発された。このクレーンはアイデアを創出したユーザの名前を付けて「奥山式クレーン」と名付けられた。 (図5.10  − ①参照)当時から日本の中では労働安全衛生法でクレーンに関する規制があり、製作する場合はその構造規格に準拠する必要があったが、奥山式クレーンはこれに準拠させて開発されていた。このクレーンが考えられ開発されたのは、当時から既に油圧ショベルが使い勝手の良さや旋回動作などの微操作性で十分な機能を有していたからに他ならない。その後、油圧ショベルによるクレーン作業は形を変えて進化し、2000年には労働衛生法によるクレーン概造規格等の関連規格が整備され、「屈曲ジプ付きクローラクレーン」として正式に認可された。このことにより図5.10 − ②のような、パックホーでありながら作業モードを切り替えることで、作業半径と吊荷荷重から許容安定荷重を演算（ML）して転倒防止を図る機能をもった移動式クローラクレーンとして使用できるようになった。これは世界には無い日本独自の規格であり、日本の技術でしか成し得ないものである。またこの機能が可能になったのは日本の油圧ショベルの技術が高いことの証明でもある。これにより油圧ショベルは、掘削と吊荷が出来る機械として進化し、土木関連作業の安全に寄与している。国内では現在この規格に準じて出荷台数の60％以上はクレーン機能付きで販売されているが、残念ながら海外では吊荷に関する安全規格が違うためクレーン仕様は出荷されていない。
5.3安全性を重視した強化キャブと各種オ
5.3プション
油圧ショベルが進化し普及している要因として、基本機能の技術レベルが高いことは当然であるが、それに加えて油圧ショベルを安全で使いやすい製品にするための付帯する技術や装備品の進化も重要な役割を果たしている。その主なものを紹介する。 5.3.1 運転者の安全を確保する強化キャブ（運転席） 1980年代中頃から油圧ショベルが建設工事で世界的に多く使われ出すにつれ、ショベルの転倒事故も多く発生するようになってきた。これは油圧ショベルが主に地面から下を掘削する事が多く、掘削により足元の地雛が崩壊することや、不整地や瓦礫などの上に登って足元路鑑の不安定な状態で作業を行うことが原因である。転倒しそうになると運転者の心理としてドアーから飛び降り、その結果自分の機械の下敷きになって死亡すると言う事例が多く発生してきた。また落石や解体作業時での破砕物が運転席に飛散して運転者に怪我を負わせる事例も多くなってきた。これらの事故を防止するため欧州で1990年中にISO規格が制定された。海外に輸出する機械はこれに準拠した対応を迫られた。日本においても状況は同様であり、数年遅れてJISでもISOに準拠した規格が定められている。規格には転倒時保護構造（6t級以下（TOPS）と6t超え50t未満(ROPS)の2種類)、頭上からの落下物に対する防御、周囲からの飛散物に対する防御などの規格がある。運転席を強化するには、強固な部材で骨組みすることが求められるが、視界性が悪くなる。日本のメーカは、出来るだけ視界性を良くしながらしかも骨組みで強度を確保する構造を追求し、現在では視界性も良く且つ強度基準に準拠した運転席が装備されている。運転席の骨組み構造を図5.11  – ①に、キャプの強度試験状況を図5.11  – ②に示す。 ①ROPS対応キャプの骨組み②ROPS基準による強度試験(出典:コマツPC200-10) (出典:施工技術総合研究所)図5.11   運転席の骨組み構造とROPS強度試験
5.3.2　周囲作業者の注意喚起や安全作業を支援する
オプション
最近の油圧ショベルには、作業時安全を図るために以下のような装置が開発され装備出来るようになっている。 (1)シートベルト……転倒時などに作業者の飛び出し等を防止する。 (2)非常脱出ハンマ…水没した際に運転席のガラスを割って脱出するためのハンヤ。 (3)旋回警報装置……旋回レパーに連動して警報音を鳴らして周囲に注意喚起する装置。 (4)走行警報装置……走行レパーに連動して警報音を鳴らして周囲に注意喚起する装置。 (5)後方監視カメラ…パックミラーで確認できない後方（ウェート後部）を、カメラ映像により運転席で確認する装置。
5.4日本のショベルが普及した背景
1965年から、海外からの導入技術と国産技術開発の二通りの方法で、油圧ショベルが開発されて進化を遂げ、今や世界の中で技術面、販売面双方でトップを走っている。技術面で言えば国産化して約20年後の1980年代中頃には世界のトップにあったと言える。その背景と要因には以下のことが挙げられる。 (1)日本の高度成長期の中で国策として産業基盤整備や都市開発などが積極的に行われたが、その中にあって建設機械需要が高まり、日本の国土事情や工事内容に最適の油圧ショベルを提供すベく各メーカが開発にしのぎをけずった。 (2)油圧ショベルの開発には、日本に主要重工業メーカを含め10社以上が名乗りを上げ、過当競争が始まったことにより、ユーザ意見を取り込み、性能改善や新規開発などを積極的に行うなど切磋琢磨を余儀なくされた。その中でより高性能な油圧システムの研究と進化があった。 (3)本体開発メーカと油圧機器メーカが積極的に開発に協力し、油圧ショベルに適合した油圧機器の開発を進めた。その後、1980代の後半からは、各メーカは海外展開を積極的に推進して普及に務めると同時に、以下の取り組みを積極的に行った。 ①国内における土木関連以外の市場を対象とした油圧ショベル特殊機や応用機の開発推進による国内市場の拡大。 ②海外障壁に対する積極的な対応と現地生産化の推進。 ③省エネ化推進とITを利用した製品高度化。その結果、2000年以降も油圧ショベルの技術及び生産高で世界のトップを走っている。しかし2000年後半から中国・韓国勢が伸びてきており、技術面では日本に及ばないもののコスト競争で台頭してきている。
安全や環境に関する問題は、世界共通の課題であり、グローパルな戦略を考える上では世界のルールを考慮する必要がある。しかし現実には世界各国が共通の規制の中で製品開発や環境への取り組み等を行っている状態ではない。安全規制体制の世界的潮流としては、図6.1に示すように、無規制⇒強制認証⇒規制級和⇒自己責任の流れとなり、市場が安全性を監視することになる。 (出典:欧米における製品安全体系とマインド)図6.1  安全規制体制の世界的な潮流(出展：建設の施工企画)図6.1で判るように、日本の安全規格にもとづいて製造された機械でも、欧米に輸出する場合は、自ら輸出先の規格や規制に準拠させなければ販売はできない。油圧ショベルを海外に輸出するようになってからは、常に海外の規制等を把握して設計や製造を行ってきた。 1991年にISO規格が制定されて、現在ではこれに準じて製造販売されることが多いが、現実にはその国の規制も考慮した対応が必要になってくる。図6.2に「安全に係る日本及び世界の規制・規格」の概要を示す。 WTO（世界貿易機関）の発足により、加盟国はTBT協定（貿易の技術的障害に関する協定）で、 WTO加盟国が自国内で新たな規格を策定する際は、関連する国際規格がある場合は新規格の基礎に用いることが義務付けられ、国際標準の「優位性」「優先性」が確立されている。これにもとづき日本でも常にISO規格との比較を行い、整合を図っている。ISO規格は政州のEN規格が基本となって制定されている。油圧ショベル（建設機械）に係る規制は、安全と環境に関する内容が多いが最近では「電子・電気機器における特定有苦物質の使用制限有苦物質規制(ROHS)」などにも準拠しなければ輸出が難しい状況である。日本おいては、安全に関しては労働安全衛生法とそれを補完する施行令、安全衛生規則及び構造規格などで細かく規制されているが、2007年に厚生労働省より「機械の包括的な安全基準に関する指針」が示され、製品安全や労働安全に関して、危険性又は有害性等の調査（リスクアセスメント）の実施をするようになっている。これもISOのA規格に準拠したものである。労働災害における死亡事故でみると、油圧ショベル等を使用する建設薬は、他の薬種に比べて年々減少しているものの製造業などに比べれば多い。(図6.3参照)一方、環境面で見ると、建設部門で排出されるCO 2は、国内全排出量の約１％にあたり、その多くは動力源であるディーゼルエンジンから出る排気ガスによるものである。油圧ショベルが国産化された当時は、生産に当たっては特に大きな規制はなかったが、進化発展とともに安全や環境に絡む規制も制定強化されてきており、各メーカはこれらを遵守してモノづくりをしてきた。その主な規制と変遷について以下に述べる。
機械の安定性に関する取り組み（リフ
6.1
ティングマグネット、解体機、林業機）
油圧ショベルの国産機が普及し始めた1972年、油圧ショベルも含めた「車両系建設機械」の構造規格が労働省（当時）から出された。その内容は、機械の製造に当たって基本となる安定度の基準、フロント等標造物の強度、油圧の安全弁の装備、周囲に注意を促す警報装置の装備、機械の能力を示す銘板の取り付けなど製造者が遵守すべき事項であった。その後1990年に油圧プレーカの普及に伴い、解体用機械として「プレーカ」が規制対象に追加された。油圧ショベルの安全に関する規格としては、「ISO」の中でEN474 [Earth-moving machinery Safety（土木機械)」が国際規格として規定されている。またJISでもISO規格に準じてJIS  A8308が規定されている。しかし応用機や特殊機が増加するに応じて関連する事故も増えてきている。このような背景を踏まえ、油圧ショベルのマグネット仕様機の規定、油圧ショベルを利用したクレーン作業の認可、解体仕様機に関する規創改正、更に最近では林衆仕様機の増加などを受けて、死亡災害の状況を見ながら安全に係わる規格の制定や通知が出されてきている。 (詳細は図6.3及び6.4参照)これらの規格は日本独自の規制であり、国際的に整合はしていない。しかしクレーンの規制を始めこれらの規格は世界の規格よりは厳しいものとなっている。たと規定) ②1990年(H2) :構造規格改正(油圧プレーカが対象として追加された) ③2000年(H12) :油圧ショベルのクレーン仕様が「屈曲ジプ式クレーン」として規定:事務連絡による) ④2007年(H19) :油圧ショベルのマグネット仕様機の「移動式クレーン」として規定:厚労省基発による) ⑤2015年(H25):労働安全衛生法及び労働安全衛生規則等で「解体仕様機」の構造、安定度、運転資格、定期検査等規定⑥2016年(H26) :林楽仕様機に関する規則改正図6.4  油圧ショベルの安全に関わる国内規制の状況日本の技術の発展には、これらの安全追求の姿勢にも与っていると言って良い。
燃料消費量規格と省エネ型油圧ショベ
6.2
ルの普及促進
1997年に採択された京都議定書の締結を受け、地球温暖化の防止を図るために日本国内で薬界毎にCO 2排出抑制の取り組みが本格化した。建設薬でも国交省を中心に取り組みが強化され、その中でも建設機械から排出されるCO₂削減が求められるようになった。建設機械で排出されるCO,を削減するには「燃料消費量の少ない建設機械の普及促進」と「従来の軽油燃料を使わない建設機械の開発」などの気運が高まった。中でも建設機械の約6割の販売台数を締める油圧ショベル(含むミニショベル)での取り組み強化が求められていた。このような背景から藻界団体である社団法人日本建設機械化協会（現：日本建設機械施工協会）を中心に2000年から燃料消費量測定方法の検討がスタートした。
6.2.1　燃料消費量基準と運用
油圧ショベルの場合は、土質や使い方で燃料消費量が大きく変化することから比較が難しい。そこでまず燃料消費量を測定するための動作基準などを決める必要があった。そこで日本建設機械化協会の中の機械部会油圧ショベル委員会で基準作りを進めた。当時まだ世界の中で、油圧ショベルの燃我測定基準は規定されておらず、案を策定後、「世界貿易機関（WTO）/貿易の技術的障害に関する（TBT）協定」の適正実施基準（CGP）に基づく意見受付公告を行った上で、 「実掘前作業に替わる代替試験方法」をJCMAS規格(国家規格JISを補完する団体規格）として制定した。しかしこの方法は実掘削負荷を反映できていないため、2001～2003年に負荷を掛けての実証や同一地整での模擬動作試験などを行って、試験での誤差等を確認した。その後、横擬試験による試験動作基準と評価基準を見直し、WTO等への通知等を同様に行い、 JCMAS第２版として制定した。その後2000年頃から省エネ油圧ショベルとしてハイプリット型ショベル等が研究開発され、またエンジンを電動モータに置き換えた電動式ショベルも普及し始めた。これらの背景から、従来の「燃費測定基準」は「エネルギー消費量基準」と名を変え、2010年にJCMAS第３版に改定されている。このように省エネ技術では、日本が技術面や規格作りで世界をリードしており、現在この規格を世界基準にするように働きかけている。なお、JCMASでは現在油圧ショベルの他にホイールローダ、ブルドーザについても規定されている。図6.5に油圧ショベルの燃費測定における模擬動作（標準作業）の状況を参考に示す。図のように、実作業に即した動き、「アーム水平引き⇒パケット掘削⇒プーム上げ＋旋回⇒パケット放土⇒アーム伸ばし＋プーム下げ＋旋回」の模擬動作を３回実施して使用した燃料を測定して1サイクル当たりの平均消費量を測定する。この燃料消費量基準値は、排ガス規制値（後述6.6参照）2006年基準に適合した製品の中で最も良い燃費基準値(kg/標準作業)をトップランナー値として、その基準値に達している製品は星印３ヶ「★★★」、 85％達成している製品には星印2ヶ「★★」の表示をしたラベルを機械に貼り付けて、国交省が推進する「低炭茶建設機械認定制度」の2020年度目標における目標燃費基準を達成していることが判るようになっている。 (図6.6参照)この制度は、国交省でその運用や届け出処理が行われ国交省HPに掲載されると同時に普及支援策などが濤じられている。この申請に当たっては省エネルギーを図るために機械に具備すべき機構が示されており、今まで日本で開発された省エネルギー技術を採用することが義務付けられている。(表6.1参照)
一方、ショベルを使用する建設工事では、機械による省エネ化だけではなく、省エネ運転のための施工方法なども研究されている。世界における統一した測定基準が無いため、世界の油圧ショベルの性能を比較したデータは存在しないが、2006年にオランダ軍が世界の20t級油圧ショベル10台を集めて性能比較を行った結果、日本の製品がトップであったと報じられている。 (図6.7参照) Machines』が実施した世界10社20tクラスの油圧ショベル性能評価比較記事。作業量・燃費ともにZX210–3が1位になった。ショベル性能比較を報じた雑誌図6.7 (出展：日立建機HP)
6.2.2 省エネ型ハイブリッド油圧ショベルの開発と
普及促進
1999年、コベルコ建機が、国からの受託研究としてハイプリッド型油圧ショベルの開発を行った。当時、既に自動車ではトヨタからプリウスが販売されCO,削減による低炭茶社会の構築の柱として脚光を浴びていたが、建設機械は生産台数や削減効果などから考えて、まだ各企業が独自で研究開発する状態にはなかった。油圧ショベルの場合、自動車と違いエンジン回転数は固定して使用すること、作業時のエネルギーの回生が少ないこと、などからあまり効果が期待できないと考えられていた。しかしコベルコ建機の開発の効果に見るべきものがあったこと、2003年のイラク戦争による原油価格の高酸などの背景が他企業の開発を促進した。ハイプリッド型油圧ショベルの開発、パッテリ駆動型油圧ショベルの開発、商用電源型電動油圧ショベルの開発普及などが各企業独自で行われるようになった。特にハイプリッド型ショベルは、コベルコ建機に続き、コマツ、日立建機などが積極的に進めた。その結果2006年にはコベルコ建機がモニタ機を発表、 2008年にはコマツがハイプリッド型油圧ショベルを上市した。しかし市場価格と原価の差が大きく赤字での販売であった。そこで経済産業省の普及補助金制度などの支援を受けて普及に努めた。現在では日本の主要メーカ（コマツ、日立、住友、コベルコ）がハイプリッド型油圧ショベルを販売するようになったが、欧米及び中国、韓国の各メーカはまだ研究段階にあり、製品としては販売していない。ハイプリッド型油圧ショベルの基本システム例を図6.8に示す。図6.8に示すようにハイプリット自動車と同じようにエンジンとポンプの間に発電機・モータを組込み、エンジン馬力が不足する場合はキャバシタからの電力でモータを介してバワーを補う。油圧ショベルの場合、最大油圧馬力とエンジン最大馬力を超えないように設計されるが、回転数や圧力によってはエンジン馬力に余裕がある領域が多くある。この状態においてはモータ・発電機部分は発電を行い、キャパシタにエネルギーが充電される。更に旋回動作での減速域でも旋回電動モータからキャパシタにエネルギーが回生される。通常油圧ショベルの基本動作においては、「掘削動作」と「プーム上げ+旋回複合動作」は最大負荷となるが、それ以外の「土砂放土」や「旋回単独動作」「プーム下げ＋旋回動作」などではエンジンエネルギーに余裕があり充電となる。これらの機能により適用エンジンのサイズダウンや燃料消費量の低減などが可能となり概ね25～40％の省エネが図れる。ハイプリッド型ショベルでは、油圧コンポーネント以外に発電機モータ、電動式旋回モータ、電気エネルギーを蓄電するためのキャパシタやインパータなどが変更又は追加され、運転席のモニタも専用型に変更になる（図6.9を参照）。なお、エネルギーの保存用の蓄電器には、パッテリやキャパシタが使用されるが、発電機モータの解発性を考え一般的にはパワー密度の高いキャバシタが使われることが多い。ハイプリッドショベルの特徴としては、省エネ以外にエンジン小型化に伴う低騒音効果もありCO,前減も含めて環境に配慮した次世代型油圧ショベルと言って良い。コマツは、販売と同時に中国市場で積極的に販売してきた。これは油圧ショベルの年間平均稼働時間が日本の３～４倍あると言われる中国では、燃料費の低減効果が大きくイニシャルコストが高くても受け入れる茶地があったことによる。一方日本の市場でも先に述べたように経済産業省の補助金や国交省の支援効果もあり確実に伸びてきている。
6.3 排ガス規制、低騒音規制
地球温暖化を防止するためには、6.2項で説明した省エネ型油圧ショベル等の普及により、燃料使用量の低減を図ることと、エンジンの燃焼技術を高めて排出される有苦排気ガスを少なくすることが重要で、世界全体の課題となっている。また同様に世界共通のテーマとして油圧ショベルからの騒音の問題も大きな課題であり、以下この二つについてその概況と取り組みを述べる。
6.3.1　排出ガス規制
大気汚染防止に対する規制は、大気汚染が深刻になり始めた1955年に米国で制定されたThe  Air Pollution Control Act (大気汚染防止法)、そしてエンジンから排出されるガスについての規制は、1963年制定のClean  Air  Act（大気浄化法）が最初と考えられる。そして1970年には米国で施行された自動車の排気ガス規制法、通称「マスキー法」である。この規制によれば排出ガス中の有害物質であるCO（一酸化炭素)、HC（炭化水素)、NOx（窒素酸化物）を、 1975～76年型モデルから1970～71年型の10分の1にしなければならなかった。この法律は、あまりもの厳しさから「絵に描いたモチで終わるだろう」と言われ、薬界では達成不可能とする声がほとんどであった。しかし日本の本田技研工業のCVCCエンジンがこの基準を達成して高い評価を受け、日米で大ヒットとなった。大気汚染防止に関する規制も、最初は工場のばい煙規制から始まって自動車の排気ガス規制に展開されたが、建設機械からの排出量も看過できない水準に達してきたことから、建設機械の排気ガス規制へと拡大してきた。建設機械のディーゼルエンジンから排出されるNOx、PM（浮遊粒子）は、ガソリンエンジンに比較して多く、排気ガス規制ではこれらの排気ガス成分を段階的に減らすように求めている。図6.10に示すように、米国では、1966年にTier1規制が始まり、その後Tire2（第２次規制）、Tier3（第３次規制）を経て、2011年からはTier4（第４次規制）になってきている。政州でも同様に段階的な規制を行っており、 StagelからStage2、Stage3A、Stage3B（Tier4Aレ

ベル）を定めている。
日本における排気ガス規制のスタートは、1991（平成3）年の建設省（現：国土交通省）の第一次排出ガス対策型建設機械指定制度であった。1996年からは直轄工事における指定製品の使用原則が打ち出された。スタート時は、「トンネル工事用建設機械7機種（バックホー、トラクタショベル、コンクリート吹き付け機、ドリルジャンボなど）が対象であったが、翌年には主要土工機械3機種（油圧ショベル、トラクタショベル、プルドーザ）が、その翌年には普及台数の多い建設機械5機種（発電機、空気圧縮機、油圧ユニット、ローラ類、ホイールクレーン）が規制対象に追加された。その後、第２次指定制度が2003年に実施されてPM（浮遊粒子）が新たに追加され、基準も米国EPAのTier2、欧州のStage IIとほぼ整合するレベルになった。加えて２次規制開始以降に製造された機械で規制値に準拠していない場合は、使用できなくなると言う、いわゆる製造規制に変わった。 2006年に、「特定特殊自動車排出ガスの規制等に関する法律（通称：オフロード法と言う）」が施行されEPA　Tier3に近いレベルの基準となった。これに伴い国交省の３次規制ではオフロード法に適合していれば国交省の３次規制をクリアーしていると判断されることとなった。日本におけるオフロード法では、製造メーカが事前に関係省庁（環境省、国交省、経産省）へ届け出ることが必要で、認証されれば自動車と同様に適政米の規制と日本の規制で大きく違うのは、政米は原動機だけでの規制となっているのに対し、日本の場合は車両としての技術基準が決められている。すなわち原動機を車体に搭載した状態での排気ガス測定や欧米の規制には無いフリーアクセル試験（原動機を無負荷の状態から怠加速する際に発生する黒煙値の測定）が規定されており、世界で一番厳しい規制と言っても良い。このように規制に当たっては、国際整合の動きはあったが、現在でも米国、欧州、日本で規制値の統一は図られていない。しかし４次規制ではほぼ同レベルである。また排ガス規制は中国や途上国などでは遅れており、油圧ショベルを販売する場合はその国の規制値や燃料事情など加味して搭載するエンジンを決める必要性が求められている。
6.3.2低騒音規制
日本の騒音・振動規制としては、1968年に騒音規制法、1976年に振動規制法が制定され、生活環境を保全すべき地域の騒音・振動が規制された。当時環境省の調査によれば、公害の中で騒音に対する苦情は常に上位であり、その中でも建設作業に関連する苦情は工場騒音についで２位を占めていた。このような背景から1976年に旧建設省で「建設工事に伴う騒音振動対策技術指針」が策定され、機種毎、出力毎に騒音と振動の基準値を定め、基準値を満足した建設機械を「低騒音型建設機械（1983年指定開始）」または「低振動型建設機械（1996年指定開始）として型式認定し、旧建設省の直轄工事では、この基準値をクリアした機械の使用が義務付けられた。その後1997年には「低騒音型・低振動型建設機械の指定に関する規定」が施行され、騒音基準値を騒音規制法と整合させる、測定方法を国際規格と合せる、など「低騒音型建設機械」の指定制度が全面改正された。当時、既に欧州（EU）においては、図6.12に示すように、従来の「前後左右方向での測定」から「車体を囲む半球面の立体６地点での測定」に変わっていたが、日本も同様の測定方法に変更し、更に実作業を模擬した動作（ダイナミックな動作）で測定するようになり、出力範囲や基準値の差は若干差があるものの測定方法ではEU規制（ISO6395:2008）と同様となった。現在でも、欧州以外の米国、豪州など世界の中では排ガス規制と同様に整合化できていないのが実情であるが、日本の製品は各国の規制値をクリアーして輸出している。ちなみに、日本の規制債と低騒音型ショベルの国内認定を示すワッペンを図6.13に示す。
レ(背頭から放射される全音響パワー)」での表示にな*町（）内は、各庄レベルを首都バワーレベルに換算した場合の数値を示図6.13
日本における油圧ショベルの運転資格
6.4
及び定期検査
労働安全衛生法第５章第１節の「機械等に関する規制」で、クレーンやエレベーターが特定機械として決められている。油圧ショベル等はここで言う特定機械には該当しないが、危険な場所で使用する機械として、第42条(譲渡の制限)の中の別途政令で規定されている。すなわち「規格又は安全装置を具備しなければ、譲渡し、貨与し、又は設置してはならない」機械として「労働安全衛生法施行令第13条第3項第9号の別表－ 7」に油圧ショベルを含めた車両系建設機械の多くが規定されている。そして、これらに該当する機械を運転するためには「運転資格」が必要になる。また機械の安全を確保するために所有者には「特定自主検査（定期的に資格者が検査する)」が義務付けられている。以下にその内容を説明する。
6.4.1　運転資格
労働安全衛生法61条で、「事業者は、クレーンの運転その他の業務で、政令で定めるものについては、都道府県労働局長の当該業務に係る免許を受けた者又は都道府県労働局長の登録を受けた者が行う当該業務に係る技能濤習を修了した者その他厚生労働省令で定める資格を有する者でなければ、当該業務に就かせてはならない」となっており車両系建設機械のほとんどは決められた教習機関で資格を取って運転する必要がある。建設機械関連の運転資格には、①クレーン ②移動式クレーン③車両系建設機械(整地等)  ④車両系建設機械(基礎) ⑤車両系建設機械（解体） ⑥不整地運搬車 ⑦小型移動式クレーン  ⑧高所作業車  ⑨小型車両系建設機械（機体質量3t未満）  @締固め用機械   @ショベルローダー等があるが、油圧ショベルに関連する資格としては、その作業や機械の大きさにより車両系建設機械の（整地）（解体）や小型車両系建設機械が該当する。整地には「運搬・積込及び掘削」などの機械も含まれる。安全な作業を行うための資格の分類としては、以下があり、それぞれ該当作業を行う場合はその資格証を携帯しなければならないことになっている。 (表6.2)

6.4.2定期検査
労働安全衛生法及び施行令で建設機械と荷役運搬機械及び高所作業車等については、定期自主検査（年次・月次など）を行うことが規定されている。これは自動車でいうところの車検制度に似ている。定期自主検査を行わなければならない機械のうち、建設機械（油圧ショベルなど）や荷役運搬機械（フォークリフトなど）等、特定の機械については、1年以内に1回（不整地運搬車は２年に１回）、一定の資格を持つ検査者が行う検査を受けなければならないが、この検査を「特定自主検査」という。特定自主検査の方法としては、ユーザが自社で使用する機械を、資格を持つ検査者に実施させる「事業内検査」と、ユーザの依頼により登録検査業者が実施する「検査業者検査」とがあり、検査を済ませた機械には、それを証する検査済標章（ステッカー）を貼付しなければならないことになっている。また特定自主検査の検査記録は3年間保存しなければならない。特定自主検査の対象機械は労働安全衛生法（以下「安衛法」という。）第45条第2項に定められた機械等で、安衛法施行令第15条第1項「定期に自主検査を行うべき機械等」により定められている。図6.14に定期検査の中で特定自主検査の必要な機械を示す。戦後の日本は、国土の復興や保全、道路や新幹線及び下水道などのインフラ整備による産薬基盤の整備、そして都市や地下開発などが積極的に行われ高度成長を遂げてきた。これらを支えたのが機械化による建設土木工事の推進であったと言える。戦後間もない日本においては、建設機械の開発技術も乏しく海外技術や海外製品に頼っていた。このような背景の中、国の支援もあり建設機械の国産化が始まった。そして機械式ショベルとしては大型のものや日本の国土に合ったものが導入されたほか、プルドーザやトラクタショベルなども次々に国産化されていった。油圧ショベルは論文でも述べているように1960年代に登場してくる。折しも日本に油圧技術が普及し始めた時代であったが、主要な油圧機器は未だ限られていた。油圧ショベル本体メーカは油圧機器メーカとの協力で開発を進めた。この時代は耐久性、信頼性よりも機能の確かさが優先された。その後、この油圧ショベルが機械式ショベルやプルドーザの領域を変熟し、やがてそれらを代替して建設機械のトップになって行くことになったが、その根底には３関節を持った作業装置による幅広い作業への適応性とアタッチメントの豊富さ、更には技術の進歩によって可能となった機械の操作性の良さがあった。特に日本においては、上述のように油圧ショベル本体メーカと油圧機器メーカとの共同開発が自発的にスムーズにスタートしたが、これは両者にとって盆する結果をもたらした。また、厳しい日本のユーザの無理難題ともいえる要請に真摯に応えようとする、揺るがない姿勢があった。これらはいずれも、日本人が歴史を通じて培ってきた文化と日本人固有の気質が与って大きい。いわば他人がまねのできない日本人の財産ともいうべきものである。その結果として、本来の目的である土砂の掘前作業以外の幅広い分野で使われる機械が日本で生まれた。現在、世界の市場でトップとなった日本の油圧ショベルであるが、途上国の追い上げが厳しい。技術面ではリードしているもののコスト面では負けており予断を許さない状況と言える。現在でも災害復旧などに使われる双腕型ショベル（図7.1）なども出てきているが、今後更に継続して日本の技術で世界をリードして行くためには市場ニーズからの製品開発に加えて、以下の取り組みが重要と考える。 (1)技術シーズを融合進化させた新世代ショベルの開発による活用領域の拡大(2)地球環境に貢献できるハイプリッド技術等による省エネ技術の普及促進(3)世界での競争に勝つモノづくり技術の強化とグローパルな取り組み本論文では、日本における油圧ショベルに関連する技術の進化・発展の経過について報告しているが、油圧ショベルは建設機械の中で人間の動作に一番近い動きをする機械である。現在国内で進められている災害復旧関連ロボットに進化する機能を秘めた製品でもある。油圧ショベルが建設分野以外の領域で発展を見せ、将来、人や災害復旧に貢献するロボットが開発され、また、宇宙開発や海底開発などで遠隔操縦される日本製の油圧ショベル型ロボットが出現することを夢見ている。そうして、それらを担う次代の技術者に、本報告が些かなりとも貢献できれば望外のことであり、筆者の欣快これに過ぎるものはない。今後の油圧ショベルメーカ及び関連するサプライヤの努力に期待したい。最後に本論文を作成にあたり、協力を頂いた皆様に感謝の意を表したい。
(参考文献)
第２ • JOURNAL for CIVEL ENGINEERS 2009.8回機械化土工のあゆみ 岡本直樹• Yamazaki建設機械史の面期（土工教室） ・建設の施工企画 7071日本における建設技術の推移渡部務・建設の施工企画  708.1建設機械の歴史 岡本直樹・建設の施工企画ローパル化と安全性の向上 難波義久・日本工業出版 油圧ショベル大全（著：岡部信也） ・日本建設機械化協会20年史建設機械産業のあゆみ・不二越技報VOL.  56 No2通巻121号 ショベル用油圧回路の変遷とロードセンシングシステム浜本智・建設機械2003.10日立建機の盗難防止対策＝ Zaxis – Guardの紹介  足立宏之・日立評論  2012. 05純国産技術による油圧ショベル第１号「UH03」田中利昌

所在確認
産業調査資料
王ショベルの技術