JP2001182719A - 流体圧回路における負荷圧力推定方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 圧力センサを用いることなく、負荷圧力を高
精度に推定する。 【解決手段】 流体圧アクチュエータ２に供給する流体
を制御するメータインバルブA2IMVと、流体圧アクチュ
エータ２から排出する流体を制御するメータアウトバル
ブA4IMVとを独立に設ける。メータアウトバルブA4IMVお
よびメータインバルブA2IMVは、メインポペット22，41
およびパイロットスプール33，54からなり、パイロット
スプール33，54の上部に、非駆動側を通過流量が零とな
る中立位置近辺の不感帯において微少変位させるプッシ
ュソレノイド35，57と、駆動したパイロットスプール3
3，54の変位量を検出する変位センサ40，82とを設け
る。パイロットスプール33，54には、フィードバックし
た負荷圧力を受圧する負荷圧力感知部38，77を設ける。
プッシュソレノイド35，57により生じた力と、変位によ
り生じた力と、負荷圧力により生じた力との釣合い関係
から負荷圧力を演算する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、流体圧回路におけ
る負荷圧力推定方法およびその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１５は、従来の例えば油圧ショベルな
どの建設機械に設けられているメータイン・メータアウ
ト分離型の制御回路を示し、可変容量型のポンプ１と、
負荷Ｗを駆動するシリンダ型の流体圧アクチュエータ２
との間には、２個のメータインバルブA1IMV ，A2IMV お
よび２個のメータアウトバルブA3IMV ，A4IMV からなる
ブリッジ回路３が設けられている。

【０００３】さらに、ポンプ１とブリッジ回路３との間
の通路にはロードホールドチェック弁４が設けられ、ま
た、ブリッジ回路３と流体圧アクチュエータ２との間の
２通路にはリーク防止用のドリフト低減弁（パイロット
操作型チェック弁）５がそれぞれ設けられている。

【０００４】また、ポンプ１の吐出口には、通路６によ
り、他の流体圧アクチュエータ（図示せず）を制御する
ブリッジ回路（図示せず）が同様に接続されている。

【０００５】さらに、ポンプ１の吐出口とタンク７との
間には、上記複数の流体圧アクチュエータ２のブリッジ
回路３などの制御時に連動して制御される１個の共通バ
イパス弁８と、ポンプ吐出圧力を設定するメインリリー
フ弁９とが設けられている。

【０００６】メータインバルブA1IMV ，A2IMV 、メータ
アウトバルブA3IMV ，A4IMV および共通バイパス弁８
は、通常、スプール弁タイプの中間絞りノッチ付き開閉
弁であり、操作レバーの操作量に応じてコントローラ
（図示せず）より出力された電気信号で作動されるプッ
シュソレノイドにより、スプール弁ストロークを制御さ
れる。

【０００７】この回路において、例えば流体圧アクチュ
エータ２を負荷Ｗに抗して伸張させる場合、ドリフト低
減弁５を開口させ、メータインバルブA1IMV およびメー
タアウトバルブA4IMV は閉止したまま、可変容量型のポ
ンプ１の吐出量を徐々に増加させるとともに、共通バイ
パス弁８を徐々に閉止させ、メータインバルブA2IMVお
よびメータアウトバルブA3IMV を徐々に開くように制御
する。

【０００８】一方、流体圧アクチュエータ２を収縮させ
る場合は、ドリフト低減弁５を開口させ、メータインバ
ルブA2IMV およびメータアウトバルブA3IMV は閉止した
まま、可変容量型のポンプ１の吐出量を徐々に増加させ
るとともに、共通バイパス弁８を徐々に閉止させ、メー
タインバルブA1IMV およびメータアウトバルブA4IMVを
徐々に開くように制御する。このような制御は、図示さ
れない操作レバーによりコントローラを介してなされ
る。

【０００９】図１６に示されるように、従来は、流体圧
アクチュエータ２の負荷圧力を圧力センサ10Aで検出し
て、コントローラ10Bにより電気的にメータインバルブA
2IMVなどの制御弁を負荷圧力に応じて制御するようにし
ている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】負荷圧力を制御する流
体圧アクチュエータ２が複数ある場合は、それらの各流
体圧アクチュエータ毎に上記圧力センサ10Aを設置し、
配線する必要がある。

【００１１】本発明は、このような点に鑑みなされたも
ので、圧力センサを用いることなく、負荷圧力を高精度
に推定できるようにすることを目的とするものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載された発
明は、流体圧アクチュエータに作動流体を供給する側の
制御弁と流体圧アクチュエータから作動流体を排出する
側の制御弁とをそれぞれ独立に制御する流体圧回路にお
いて、両方の制御弁に負荷圧力をフィードバックさせ、
両方の制御弁のうち駆動する必要のない非駆動側となる
制御弁を通過流量が零となる中立位置近辺の不感帯にお
いて微少変位させるように駆動し、この非駆動側の制御
弁に作用する推力と変位により生じた力とフィードバッ
ク力との釣合い関係から負荷圧力を推定する流体圧回路
における負荷圧力推定方法である。

【００１３】そして、制御弁に負荷圧力をフィードバッ
クさせて、制御弁に作用する推力と変位により生じた力
とフィードバック力との釣合い関係から、圧力センサを
用いることなく負荷圧力を推定する。また、駆動する必
要のない非駆動側の制御弁を通過流量が零となる中立位
置近辺の不感帯において微少変位させるように駆動する
から、負荷圧力を推定する際に制御弁の本来の機能を損
なうことがない。さらに、中立位置近辺の不感帯におけ
る微小変位であるから、制御弁での通過流量によるフロ
ーフォースの発生がなく、高精度の負荷圧力の推定が可
能である。

【００１４】請求項２に記載された発明は、流体圧アク
チュエータに供給される流体を制御する一方の制御弁
と、一方の制御弁とは独立して作動され流体圧アクチュ
エータから排出される流体を制御する他方の制御弁と、
両方の制御弁のうち駆動する必要のない非駆動側となる
制御弁を通過流量が零となる中立位置近辺の不感帯にお
いて微少変位させる駆動手段と、微少変位された制御弁
の変位量を検出する変位センサと、両方の制御弁にそれ
ぞれフィードバックされた負荷圧力を受圧する負荷圧力
感知部と、駆動手段により生じた力と変位により生じた
力と負荷圧力により生じた力との釣合い関係から負荷圧
力を演算する負荷圧力演算装置とを具備した流体圧回路
における負荷圧力推定装置である。

【００１５】そして、制御弁の負荷圧力感知部に負荷圧
力をフィードバックさせ、駆動手段により生じた力と、
変位センサで検出された変位により生じた力と、負荷圧
力により生じたフィードバック力との釣合い関係から、
圧力センサを用いることなく負荷圧力演算装置にて負荷
圧力を演算する。また、駆動する必要のない非駆動側の
制御弁を通過流量が零となる中立位置近辺の不感帯にお
いて微少変位させるように駆動手段により駆動するか
ら、負荷圧力を推定する際に制御弁の本来の機能を損な
うことがない。さらに、中立位置近辺の不感帯における
微小変位であるから、制御弁での通過流量によるフロー
フォースの発生がなく、高精度の負荷圧力の推定が可能
である。

【００１６】請求項３に記載された発明は、請求項２記
載の制御弁が、パイロット流量増幅型のメインポペット
と、メインポペットをパイロット操作するパイロットス
プールとを具備し、駆動手段、変位センサおよび負荷圧
力感知部は、パイロットスプールに設けられた流体圧回
路における負荷圧力推定装置である。

【００１７】そして、パイロットスプールは、自身にお
ける力の釣合い関係から負荷圧力を推定するとともに、
負荷圧力感知部にフィードバックされた負荷圧力によ
り、負荷圧力の急激な変化に対抗する応答動作をして、
メインポペットをパイロット制御する。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態を図
１乃至図１４を参照しながら説明する。

【００１９】先ず、図１および図２に示された一実施の
形態を説明する。なお、図１５に示された従来の制御回
路と同様の部分には同一符号を付する。

【００２０】図２は、制御弁としてのメータインバルブ
A1IMV ，A2IMV と、制御弁としてのメータアウトバルブ
A3IMV ，A4IMV とを組合せたブリッジ回路３により、メ
ータイン・メータアウト分離型の制御回路を構成したも
ので、ポンプ斜板1aにより吐出流量を可変制御できる可
変容量型のポンプ１の吐出口にポンプ吐出通路11が接続
され、このポンプ吐出通路11に、一の流体圧アクチュエ
ータ２を制御するための一のブリッジ回路３の二つのメ
ータインバルブA1IMV ，A2IMV にそれぞれ連通する通路
12，13が接続され、また、上記ポンプ吐出通路11には、
他の流体圧アクチュエータ2aを制御するための他のブリ
ッジ回路3aに連通する通路６も接続されている。

【００２１】さらに、ポンプ１の吐出口には、ポンプ１
から吐出された作動流体の各ブリッジ回路３，3aに対す
る供給量を制御する共通バイパス弁８と、ポンプ吐出圧
力の上限を設定するメインリリーフ弁９とが、複数のブ
リッジ回路３，3aに対し共通に設けられている。

【００２２】一方のブリッジ回路３について説明する
と、ポンプ吐出通路11に通路12，13を介して２つのメー
タインバルブA1IMV ，A2IMV がそれぞれ接続され、これ
らのメータインバルブA1IMV ，A2IMV に、流体圧アクチ
ュエータ２への通路14，15とタンク通路16，17との間を
制御する２つのメータアウトバルブA3IMV ，A4IMV がそ
れぞれ接続され、タンク通路16，17はタンク７に接続さ
れている。

【００２３】さらに、このブリッジ回路３の上側に図示
されたメータインバルブA1IMV とメータアウトバルブA3
IMV とを経て引出された通路14a は、流体圧アクチュエ
ータ２のピストン2pよりロッド側が位置する室（以下、
「ロッド側室2r」という）に接続され、また、下側に図
示されたメータインバルブA2IMV とメータアウトバルブ
A4IMV とを経て引出された通路15a は、流体圧アクチュ
エータ２のピストン2pよりヘッド側に位置する室（以
下、「ヘッド側室2h」という）に接続されている。

【００２４】図１および図２を参照して、前記各メータ
アウトバルブA3IMV ，A4IMV を説明すると、バルブハウ
ジング21内にそれぞれ設けられたパイロット流量増幅型
のメインポペット22を中心に構成されており、バルブハ
ウジング21内にそれぞれ形成された弁室23にて各メイン
ポペット22がそれぞれ軸方向へ変位自在に設けられ、各
弁室23に前記流体圧アクチュエータ２よりの戻り通路14
a ，15a がそれぞれ連通されている。

【００２５】これらのメータアウト側のメインポペット
22の側面部には、各メインポペット22の軸方向変位が大
きくなるにしたがって、それぞれの開口面積が比例的に
拡大変化する可変スロット25がそれぞれ軸方向に形成さ
れている。

【００２６】これらの可変スロット25は、各メインポペ
ット22の反対側端部にそれぞれ形成されたドレン流量制
御部26がシート27に着座している状態で、バルブハウジ
ング21内にそれぞれ形成されたバネ室28と連通する若干
の開口25a を有する。それぞれのシート27は、タンク通
路16，17によりそれぞれタンク７に連通されている。

【００２７】これらのメータアウト側のメインポペット
22に対する各バネ室28には、ドレン流量制御部26をシー
ト27側へ押圧する方向すなわち閉じ方向に押圧する圧縮
コイル状の復帰バネ29がそれぞれ内蔵されている。

【００２８】また、各メインポペット22の開度を制御す
る手段として、各バネ室28から各タンク通路16，17にわ
たって、シート30を介し連通可能な通路31および通路32
がそれぞれ引出され、各通路31，32中には、パイロット
スプール33がそれぞれ介在され、これらのパイロットス
プール33は、各バネ室28を図示されないコントローラか
らの電気信号に応じてドレン制御するもので、各パイロ
ットスプール33を中立位置（閉止位置）に附勢するバネ
室24内の復帰バネ34と、これらの復帰バネ34に抗してパ
イロットスプール33をそれぞれ駆動する駆動手段として
のプッシュソレノイド35とを備えている。

【００２９】パイロットスプール33の変位が中立位置近
辺の不感帯（デッドバンド）以下の微小変位であるとき
は、シート30での通過流量が０となる。

【００３０】各メータアウトバルブA3IMV ，A4IMV のパ
イロットスプール33には、流体圧アクチュエータ２より
の戻り通路14a ，15a が通路36によりそれぞれ連通さ
れ、過大な負荷圧力に対して、後述するリリーフ機能を
有する。

【００３１】図１に示されるように、前記プッシュソレ
ノイド35は、励磁用のコイル35a と、パイロットスプー
ル33の上部に一体化された可動鉄心35b とからなる。

【００３２】各メータアウトバルブA3IMV ，A4IMV のパ
イロットスプール33には、負荷圧力感知部38がそれぞれ
大径に形成され、これらの負荷圧力感知部38の上側に負
荷圧力室39がそれぞれ形成され、これらの負荷圧力室39
に流体圧アクチュエータ２よりの戻り通路14a ，15a が
通路36によりそれぞれ連通されている。

【００３３】これにより、流体圧アクチュエータ２より
の戻り通路14a ，15a に過大な負荷圧力が生じたとき、
その負荷圧力は、負荷圧力室39に導かれ、負荷圧力感知
部38を図示下方へ押圧するので、シート30が開口され、
バネ室28を減圧して、メインポペット22をリフトするこ
とにより、弁室23をタンク７に連通するリリーフ機能を
有する。

【００３４】このプッシュソレノイド35の上側には、パ
イロットスプール33の軸方向ストロークを検出する変位
センサ40が取付けられている。この変位センサ40は、プ
ッシュソレノイド35上にコイル40a がセンサ取付筒材40
b を介して取付けられ、このセンサ取付筒材40b の内部
に前記可動鉄心35b と一体的に移動するコア40c が嵌合
されたものであり、コイル40a によりコア40c の軸方向
変位量すなわちパイロットスプール33の軸方向変位量を
検出する。

【００３５】パイロットスプール33、可動鉄心35b およ
びコア40c には全長にわたって作動流体を排出するため
のドレン孔37が穿設されている。

【００３６】このように構成された各メータアウトバル
ブA3IMV ，A4IMV において、流体圧アクチュエータ２よ
りの戻り流量Ｑのうち一部の流量ｑは、パイロット可変
スロット25の開口25a よりバネ室28に流入する。メイン
ポペット22のストローク制御は、バネ室28に連通したシ
ート30のパイロットスプール33による開度制御で達成さ
れ、このパイロットスプール33を通過する流量はｑであ
る。

【００３７】このメータアウト側のメインポペット22の
ストローク制御により、ドレン流量制御部26がシート27
の開度を制御するから、主流量ＬＱがコントロールさ
れ、この主流量ＬＱは、あたかもパイロットスプール33
で制御されたパイロット流量ｑが増幅された様相を呈す
る。

【００３８】一方、このパイロットスプール33が閉止
し、流量ｑも主流量ＬＱもゼロ値となっているときに、
流体圧アクチュエータ２よりの戻り通路14a ，15a の戻
り圧力が上昇し、通路36を経てパイロットスプール33の
負荷圧力感知部38に作用する力と、プッシュソレノイド
35の推力との和が、復帰バネ34の附勢力に打ち勝つと、
パイロットスプール33が変位してシート30が開口し、パ
イロット流量ｑが流れ始め、メータアウト側のメインポ
ペット22の可変スロット25の開口25a の前後に差圧が生
じ、メインポペット22はバネ室28側へ移動し、シート27
が開口し、主流量ＬＱが発生することにより、流体圧ア
クチュエータ２よりの戻り通路14a または15a の戻り圧
力が異常上昇することを抑えて、パイロットスプール33
に作用する圧縮コイル状の復帰バネ34およびプッシュソ
レノイド35の推力により設定された一定の圧力値で整定
するリリーフ弁機能を有する。

【００３９】次に、前記メータインバルブA1IMV ，A2IM
V を説明すると、バルブハウジング21の内部に設けられ
たパイロット流量増幅型のメインポペット41を中心に構
成されており、この点は、メータアウトバルブA3IMV ，
A4IMV と同様であるが、このメインポペット41自体の構
造と、そのパイロット制御手段はメータアウトバルブA3
IMV ，A4IMV と異なる。

【００４０】メータインバルブA1IMV ，A2IMV の構造は
同一であるから、ここでは、シリンダヘッド側のメータ
インバルブA2IMV を例にとって詳細に説明する。

【００４１】図２に示されるように、前記メータイン側
のメインポペット41は、内部に高圧選択手段としてのシ
ャトル弁42を持ち、このシャトル弁42の一方の入口側に
形成された通路43は、ポンプ１の吐出口にポンプ吐出通
路11を介して連通された通路13に開口され、ポンプ吐出
圧力をシャトル弁42に導き、また、シャトル弁42の他方
の入口側に形成された通路44は、流体圧アクチュエータ
２のヘッド側室2hに通路15を経て連通された環状空間45
に開口され、流体圧アクチュエータ２へ供給される圧力
または流体圧アクチュエータ２の負荷圧力をシャトル弁
42に導き、シャトル弁42は、これらの圧力のうちで高圧
側を選択する。

【００４２】このシャトル弁42の出力側に形成されたメ
インポペット41内の通路46は、メインポペット41の周面
に軸方向に加工された可変スロット47に連通されてい
る。この可変スロット47は、メインポペット41の移動ス
トロークに応じて開口面積が増加する。

【００４３】この可変スロット47は、メインポペット41
の流量制御部48がシート49に着座している状態で、バル
ブハウジング21内に形成された圧力室としてのバネ室51
と連通する若干の開口47a を有するものである。

【００４４】このメインポペット41に対するバネ室51に
は、メインポペット41の流量制御部48をシート49に押圧
する圧縮コイル状の復帰バネ52が設けられ、このバネ室
51は、通路53により、パイロットスプール54に連通され
ている。

【００４５】図１に示されるように、このパイロットス
プール54は、バルブハウジング21内に形成された嵌合穴
55に摺動自在に嵌合され、この嵌合穴55の先端には、パ
イロットスプール54により開閉されるシート56が設けら
れている。

【００４６】パイロットスプール54は、外部の駆動手段
としてのプッシュソレノイド57によりストローク制御さ
れる。このプッシュソレノイド57は、バルブハウジング
21上に設置されたコイル57a内に、パイロットスプール5
4の図示上端部に一体化された可動鉄心57b が移動自在
に嵌合されたもので、コイル57a に通電することによ
り、パイロットスプール54をバルブハウジング21内に押
込む方向（シート56から開口する方向）に付勢する励磁
力を得ることができる。

【００４７】パイロットスプール54の図示下端部は、バ
ルブハウジング21内に形成されたバネ室61に挿入され、
このバネ室61内に設けられた圧縮コイル状の復帰バネ62
によりパイロットスプール54を図において上方へ復帰さ
せる付勢力が付与されている。

【００４８】バネ室61は、通路63によりチェック弁64に
連通され、さらに通路65を経て前記通路15に連通されて
いる。

【００４９】パイロットスプール54の比較的下部には、
周溝66を介してランド部68とポペット部69とが形成さ
れ、このポペット部69が中立位置で前記シート56に係止
されている。

【００５０】パイロットスプール54の変位が中立位置近
辺の不感帯（デッドバンド）以下の微小変位であるとき
は、シート56での通過流量が０となる。

【００５１】前記嵌合穴55には常に周溝66に開口する環
状溝71が形成され、この環状溝71に前記通路53によりメ
ータイン側のメインポペット41のバネ室51が連通されて
いる。

【００５２】また、パイロットスプール54の比較的上部
には、大径の負荷圧力感知部77が形成され、この負荷圧
力感知部77の図示下側に、負荷圧力感知部77と嵌合する
嵌合穴により負荷圧力室78が形成され、この負荷圧力室
78が通路79により前記通路65に連通されている。負荷圧
力感知部77の上側部は通路81によりタンク７に連通され
ている。

【００５３】また、前記パイロットスプール54には、そ
の作動ストロークを検出することによりパイロットスプ
ール54の開口面積を監視できる開口面積監視手段として
の変位センサ82が設けられている。

【００５４】この変位センサ82は、プッシュソレノイド
57上にコイル82a がセンサ取付筒材82b を介して取付け
られ、このセンサ取付筒材82b の内部に前記可動鉄心57
b と一体的に移動するコア82c が嵌合されたものであ
り、コイル82a によりコア82cの軸方向変位量すなわち
パイロットスプール54の軸方向変位量を検出する。

【００５５】さらに、パイロットスプール54、可動鉄心
57b およびコア82c の全長にわたって、作動流体を排出
するためのドレン孔83が貫通穿設されている。

【００５６】なお、前記メインポペット22およびパイロ
ットスプール33により一方の制御弁を構成し、また前記
メインポペット41およびパイロットスプール54により他
方の制御弁を構成する。

【００５７】このように構成されたメータインバルブA1
IMV ，A2IMV において、プッシュソレノイド57が励磁さ
れて復帰バネ62のバネ力に抗してパイロットスプール54
が押込まれる方向に移動すると、前記パイロットスプー
ル54のポペット部69がシート56を開口するから、メイン
ポペット41のバネ室51は、通路53、環状溝71、周溝66、
シート56、パイロットスプール54のバネ室61、通路63、
チェック弁64および通路65を経て、流体圧アクチュエー
タ２への通路15に連通され、パイロットスプール54の変
位量に応じてバネ室51が減圧制御され、メインポペット
41が開口するようにストローク制御され、シート49を経
て通路13から通路15へ流出する主流量は、あたかもパイ
ロットスプール54で制御されたパイロット流量が増幅さ
れた様相を呈する。

【００５８】図２に示されるように、86は、油圧ショベ
ルなどの建設機械に搭載されたコントローラであり、こ
のコントローラ86の入力端子に、各アクチュエータ２，
2aに対するコマンド信号を発する操作レバー87、ポンプ
吐出通路11に設けられたポンプ吐出圧力検出用のポンプ
圧力センサ88、およびメータインバルブA1IMV ，A2IMV
の変位センサ82およびメータアウトバルブA3IMV ，A4IM
V の変位センサ40がそれぞれ接続され、このコントロー
ラ86の出力端子に、メータインバルブA1IMV ，A2IMV の
プッシュソレノイド57およびメータアウトバルブA3IMV
，A4IMV のプッシュソレノイド35がそれぞれ接続さ
れ、操作レバー87から入力された指令信号がコントロー
ラ86で演算処理されて、メータインバルブA1IMV ，A2IM
V およびメータアウトバルブA3IMV ，A4IMV を、以下に
説明するような最適な条件で制御する。

【００５９】図３は、ポンプ１から流体圧アクチュエー
タ２のヘッド側室2hに作動油を供給するメータインバル
ブA2IMV用の圧力・流量複合制御系を示すブロック図で
あり、この制御系は、操作レバー87のレバー操作量Ｌ
と、メインポペット41で制御される流量Ｑすなわちアク
チュエータ速度と、負荷圧力Ｐすなわちアクチュエータ
作動力との関係を示す３次元マップ91を備えている。

【００６０】この３次元マップ91は、レバー操作量Ｌと
負荷圧力Ｐとを入力することにより、対応する流量Ｑを
求めることができ、また、レバー操作量Ｌと流量Ｑとを
入力することにより、対応する負荷圧力Ｐを求めること
ができる。

【００６１】Ｌ−Ｑ面における曲線は、無負荷時の流量
特性すなわち速度モジュレーション特性を示し、また、
Ｌ−Ｐ面における曲線は、流体圧アクチュエータ２が負
荷により動けなくなったストール状態における圧力特性
すなわち力モジュレーション特性を示し、通常は、それ
らの間の曲面におけるレバー操作量Ｌと対応する負荷圧
力Ｐまたは流量Ｑを用いる。

【００６２】この３次元マップ91から引出された実線は
流量Ｑを示し、また、点線は負荷圧力Ｐを示す。

【００６３】この制御系には、圧力センサを用いること
なく流体圧アクチュエータ２の負荷圧力Ｐ_loadを推定す
る負荷圧力演算装置92が設けられている。この負荷圧力
演算装置92は、後で詳述するが、主としてメータイン側
のパイロットスプール54のプッシュソレノイド57に供給
される駆動電流Ｉおよび変位センサ82により検出された
変位量Ｘか、またはメータアウト側のパイロットスプー
ル33のプッシュソレノイド35に供給される駆動電流Ｉお
よび変位センサ40により検出された変位量Ｘから、負荷
圧力Ｐ_loadを推定する。

【００６４】前記メインポペット41により制御される流
量Ｑは次の式１で表すことができる。

【００６５】

【式１】Ｑ＝α・Ａ・（Ｐ_P−Ｐ_load）^1/2 ここで、αは定数、Ａはメインポペット41の流量制御部
48・シート49間の開口面積、Ｐ_Pはポンプ圧力センサ88
により検出されたポンプ吐出圧力、Ｐ_loadは負荷圧力で
ある。

【００６６】式１よりメインポペット41の開口面積Ａ
は、次の式２により表される。

【００６７】

【式２】Ａ＝Ｑ／｛α・（Ｐ_P−Ｐ_load）^1/2｝ したがって、前記操作レバー87にてレバー操作量Ｌを入
力することにより３次元マップ91から出力された要求流
量値Ｑを与えると、ポンプ圧力センサ88により検出され
たポンプ吐出圧力Ｐ_Pと、負荷圧力演算装置92により高
精度で推定された負荷圧力Ｐ_loadとにより、メインポペ
ット41の開口面積Ａを演算することができる。

【００６８】メインポペット41の開口面積Ａと、メイン
ポペット41の変位量Ｘ_Pは、予め設計された所定の関係
にあり、その関係を関数で表すと、Ｘ_P＝ｆ（Ａ）であ
り、図３に関数93で示す。

【００６９】メインポペット41の変位量Ｘ_Pが決まる
と、流量値Ｑ、ポンプ吐出圧力Ｐ_P、負荷圧力Ｐ_loadを
加味しながら、メインポペット41の変位量Ｘ_Pを実現す
るためのパイロットスプール54の変位量Ｘ_Cを、Ｘ_C＝ｆ
（Ｘ_P）で表される関数94により求めることができる。

【００７０】この変位量Ｘ_Cを目標値として、変位セン
サ82により検出されたパイロットスプール54の実際の変
位量Ｘとの誤差を、比較器95により演算し、その誤差に
２種類の可変調整可能のゲインＫ_iおよびゲインＫ_Pを乗
じて、加算器96に入力する。

【００７１】ゲインＫ_iおよびゲインＫ_Pを可変調整する
のは、ゲイン調整装置97であり、ゲイン調整によりプッ
シュソレノイド57に供給される電流値Ｉを調整すること
で、相対的にパイロットスプール54の復帰バネ62のバネ
定数を負荷圧力Ｐ_loadに応じて任意に変更できる。

【００７２】すなわち、プッシュソレノイド57の推力と
復帰バネ62のバネ力は、パイロットスプール54に対し反
対方向に作用するので、例えば、復帰バネ62を強くする
必要があるときは、ゲイン調整装置97によりプッシュソ
レノイド57への電流値Ｉを決定するゲインＫ_iおよびゲ
インＫ_Pを小さくするように調整して、プッシュソレノ
イド57の推力を減少させるように補正することにより、
相対的に復帰バネ62のバネ定数を大きくして強くした場
合と同等の効果が得られる。

【００７３】ゲイン調整装置97は、直接的には流量制御
系のゲインＫ_iおよびゲインＫ_Pを調整するが、これによ
り、次の圧力制御装置98などの圧力制御系とのバランス
を調整する機能もある。

【００７４】また、前記加算器96には、圧力制御装置98
およびフィードフォワードコントローラ99を経た信号も
入力される。

【００７５】圧力制御装置98は、圧力フィードバックコ
ントローラ101と、作業負荷推定装置102とを備えてい
る。

【００７６】圧力フィードバックコントローラ101は、
負荷圧力演算装置92により推定された負荷圧力Ｐ_loadと
の関係で、プッシュソレノイド57に供給される電流値を
制御することで、例えば負荷圧力Ｐ_loadが設定圧力を超
えないように圧力制御して、制御系の安定性を図ること
が可能である。

【００７７】作業負荷推定装置102は、例えば油圧ショ
ベルのフロント作業装置が作動しているときに、そのブ
ームシリンダなどの負荷圧力を推定する場合は、負荷圧
力演算装置92により推定された負荷圧力Ｐ_loadが、純粋
な作業負荷（荷の静的荷重）だけでなく、フロント作業
装置の慣性負荷の影響も受けたものであることを前提と
して、その慣性負荷の影響を取除くことにより、バケッ
ト内の作業負荷を精度良く推定するものである。

【００７８】フィードフォワードコントローラ99は、フ
ィードバック制御系の演算遅れなどにより制御系が不安
定となるおそれを改善するために設置する。

【００７９】次に、図１および図２に示された実施形態
の作用を説明する。

【００８０】操作レバー87を操作すると、この操作レバ
ー87から発信されたコマンド電気信号がコントローラ86
で演算処理され、コントローラ86より出力された電流値
などの電気信号により、共通バイパス弁８が徐々に閉止
されるとともに、ポンプ斜板1aの制御によりポンプ吐出
量が徐々に増大する。

【００８１】同時に、コントローラ86よりメータインバ
ルブA1IMV ，A2IMV のプッシュソレノイド57またはメー
タアウトバルブA3IMV ，A4IMVのプッシュソレノイド35
へ操作レバー量に応じたコマンド信号（電流）が供給さ
れ、電流が供給されたプッシュソレノイド57，35では推
力が発生し、パイロットスプール54，33が、復帰バネ6
2，34のバネ力に抗して変位することにより、パイロッ
ト流量が発生する。

【００８２】これにより、バネ室51またはバネ室28が減
圧され、メータイン側のメインポペット41またはメータ
アウト側のメインポペット22がリフトし、ポンプ１から
流体圧アクチュエータ２のロッド側室2rおよびヘッド側
室2hの一方に供給されるとともに他方からタンク７に排
出される作動油が、２つのメータインバルブA1IMV ，A2
IMV および２つのメータアウトバルブA3IMV ，A4IMV で
形成されたブリッジ回路３により制御される。

【００８３】例えば、メータインバルブA1IMV ，A2IMV
は、プッシュソレノイド57によりパイロットスプール54
を復帰バネ62に抗して変位させ、シート56を開口させる
ことにより、通路13，43，46、可変スロット47の開口47
a 、バネ室51、通路53、シート56、バネ室61、通路63、
チェック弁64、通路65を経て通路15へ至るパイロット流
れが生じると、可変スロット47の開口47a の前後で差圧
が生じ、この差圧によりメインポペット41が復帰バネ52
に抗して変位し、メインポペット41のシート49が開口
し、通路11から通路13および通路15を経た作動流体（圧
油）が流体圧アクチュエータ２のヘッド側室2hへ供給さ
れ、負荷圧力Ｐ_loadが発生する。

【００８４】作業中に、このヘッド側室2h における負
荷圧力Ｐ_loadが上昇すると、パイロットスプール54の負
荷圧力室78に臨む負荷圧力感知部77の下側段差部がその
上昇した負荷圧力Ｐ_loadを受けて、パイロットスプール
54が図示上方の中立位置側へ変位し、シート56に対する
ポペット部69の開度が減少する。

【００８５】これにより、メインポペット41上のバネ室
51内が昇圧し、メインポペット41の上面および下面に作
用する圧力の差すなわち差圧が減少し、メインポペット
41が復帰バネ52の復元力により閉じ方向に作用し、高負
荷駆動を防止できるとともに、操作レバー87の急激な入
力操作により負荷圧力Ｐ_loadが急上昇しても、負荷圧力
室78にフィードバックされた負荷圧力Ｐ_loadによりパイ
ロットスプール54が直ちに中立位置側に戻され、これに
伴い、メインポペット41も直ちに中立位置側に戻され、
負荷圧力が応答良く減少することで、負荷圧力の変動を
抑え込むことができる。この圧力制御は後でさらに説明
する。

【００８６】一方、メータアウトバルブA3IMV ，A4IMV
は、プッシュソレノイド35によりパイロットスプール33
を復帰バネ34に抗して変位させ、シート30を開口させる
ことにより、通路15a 、可変スロット25の開口25a 、バ
ネ室28、通路31、シート30、バネ室24、通路32、タンク
通路17を経てタンク７へ至るパイロット流れが生じる
と、可変スロット25の開口25a の前後で差圧が生じ、こ
の差圧によりメインポペット22が復帰バネ29に抗して変
位し、メインポペット22のシート27が開口し、流体圧ア
クチュエータ２のヘッド側室2hから通路15a 、シート27
およびタンク通路17を経た作動流体（圧油）がタンク７
へ排出される。

【００８７】作業中に、このヘッド側室2h における負
荷圧力Ｐ_loadが上昇すると、パイロットスプール33の負
荷圧力室39に臨む負荷圧力感知部38の上側段差部がその
上昇した負荷圧力Ｐ_loadを受けて、パイロットスプール
33がシート30から離反する方向に変位する。

【００８８】これにより、メインポペット22上のバネ室
28内が減圧され、メインポペット22の上面および下面に
作用する差圧が増大し、メインポペット22が復帰バネ29
の復元力に抗して開き方向に作用し、通路15aをタンク
７に連通するから、操作レバー87の急激な入力操作によ
り負荷圧力Ｐ_loadが急上昇しても、前記負荷圧力感知部
38への負荷圧力フィードバックにより負荷圧力Ｐ_loadが
自動的に応答良く減少することで、この負荷圧力Ｐ_load
の変動を抑え込むことができる。

【００８９】また、メータインバルブA1IMV ，A2IMV の
リーク低減機能を説明すると、操作レバー87が中立位置
にあり、コマンド（電流値）が各プッシュソレノイド57
に与えられないときは、パイロットスプール54は図１に
示されたように中立位置にある。また、共通バイパス弁
８が開いており、さらに可変容量型のポンプ１からのポ
ンプ吐出量も最少であるから、通路13の圧力は低圧力で
ある。

【００９０】この場合、シリンダ型の流体圧アクチュエ
ータ２のヘッド側室2hに通路13の圧力以上の負荷圧力Ｐ
_loadがある場合は、通路15よりシャトル弁42で高圧選択
されて、この負荷圧力Ｐ_loadが可変スロット47の開口47
a よりバネ室51へ導入され、復帰バネ52のバネ力と共に
メータイン側のメインポペット41をシート49側に押圧す
るため、通路15から通路13へ至るリークは発生しない。

【００９１】また、メータインバルブA1IMV ，A2IMV の
ロードホールドチェック弁機能を説明すると、操作レバ
ー87が操作され、共通バイパス弁８が閉止してゆき、ポ
ンプ吐出量が増大すると共に、プッシュソレノイド57へ
コントローラ86よりコマンド（電流値）が供給され、パ
イロットスプール54を押込む方向に作用すると、ポペッ
ト部69がシート56を開いてゆく。

【００９２】このとき、まだ通路15の負荷圧力Ｐ_loadが
通路13の圧力より高圧であると、メインポペット41のバ
ネ室51は高圧側の通路15の圧力に等しく、このメインポ
ペット41は閉止したままであり、これはロードホールド
チェック弁としての機能を果たしていることになる。

【００９３】さらに、共通バイパス弁８が閉止し、ポン
プ吐出量が増大すると、やがて通路13のポンプ吐出圧力
は通路15の負荷圧力Ｐ_loadを超えて高くなってくる。

【００９４】このとき、シャトル弁42により通路13側の
圧力が高圧選択されてメインポペット41のバネ室51より
パイロットスプール54のポペット部69に作用し、この圧
力は通路65の圧力（＝通路15の圧力）より高いため、通
路53からシート56、バネ室61およびチェック弁64を経て
通路65へ流れるパイロット流量が発生する。

【００９５】このメータイン側のメインポペット41は、
パイロット流量増幅機能を有しているので、パイロット
流量の増加にしたがってバネ室51の圧力が下降し、メイ
ンポペット41の流量制御部48がシート49よりリフトし、
弁先端部の開口面積の漸次増加により通路13より通路15
へ制御された主流量が発生し、シリンダ型の流体圧アク
チュエータ２はゆっくり伸張してゆく。

【００９６】次に、図３に示された制御系の各部をその
機能とともに説明する。

【００９７】（１）負荷圧力推定機能 供給側（メータイン側）のパイロットスプール54と排出
側（メータアウト側）のパイロットスプール33とを独立
させたブリッジ回路３において、パイロットスプール54
を駆動する場合はパイロットスプール33は非駆動側とな
り、また、パイロットスプール33を駆動する場合はパイ
ロットスプール54は非駆動側となるが、その非駆動側の
パイロットスプール54または33を、通過流量が零のまま
となる中立位置近辺の不感帯（デッドバンド）におい
て、微少変位させることで負荷圧力Ｐ_loadを推定する。

【００９８】例えば、メータイン側のパイロットスプー
ル54が非駆動側の場合は、このパイロットスプール54を
下方へ微小変位させるが、その場合、パイロットスプー
ル54を下方へ変位量Ｘだけ微小変位させたときは、図１
にて上向きに作用する力は、質量ｍのパイロットスプー
ル54が加速度d²X/dt²で運動する際の反力ｍ・d²X/dt
²と、パイロットスプール54が油中で運動する際の粘性
抵抗Ｃ・dX/dt（Ｃは粘性抵抗に関する減衰定数）と、
復帰バネ62の圧縮量Ｘによる反発力Ｋ・Ｘ（Ｋはバネ定
数）と、復帰バネ62の取付荷重Ｒと、通路15から通路6
5，79を経てドーナツエリア状の負荷圧力室78までフィ
ードバックされた負荷圧力Ｐ_loadがパイロットスプール
54の負荷圧力感知部77の下側受圧面積Ａ_rea に対し作用
する力Ｐ_load・Ａ_rea とであり、一方、図にて下向きに
作用する力は、プッシュソレノイド57に電流Ｉを流した
ときに生ずる電流Ｉに比例した押力Ｆと、複数のブリッ
ジ回路３，3aから共通のタンク７に作動油が排出される
構造から生ずるタンクライン圧Ｐtが負荷圧力感知部77
の上側受圧面積Ａ_reaに対し作用する力Ｐt・Ａ_reaとで
あり、パイロットスプール54の中立位置近辺の不感帯
（デッドバンド）においてはシート56とポペット部69と
の間に通過流量が発生しないので、この通過流量に伴っ
て発生するフローフォースを考慮する必要がなく、上記
の上向きの力と下向きの力とがバランスするので、次の
式３が成立する。

【００９９】

【式３】ｍ・d²X/dt²＋Ｃ・dX/dt＋Ｋ・Ｘ＋Ｒ＋Ｐ_load
・Ａ_rea ＝Ｆ＋Ｐt・Ａ_rea 書換えると、下記の式４になる。

【０１００】

【式４】Ｐ_load＝｛Ｆ−（ｍ・d²X/dt²＋Ｃ・dX/dt＋Ｋ
・Ｘ＋Ｒ）＋Ｐt・Ａ_rea｝／Ａ_{re a} この式４において、ｍ、Ｃ、Ｋ、ＲおよびＡ_rea は既知
の定数であり、Ｘ、dX/dtおよびd²X/dt² は、変位セン
サ82により測定または測定値から演算することができ、
Ｆはソレノイド電流Ｉから演算でき、タンクライン圧Ｐ
tは共通の圧力センサにより検出できるから、負荷圧力
Ｐ_loadは、上式で推定することができる。

【０１０１】図４は、このような負荷圧力を推定演算す
る負荷圧力演算装置92をブロック図としたものであり、
前記プッシュソレノイド57への電流Ｉは関数112により
押力Ｆに変換され、この押力Ｆは、ノイズを含むもので
あるため、ノイズフィルタ113によりそのノイズを除去
する。そして、この押力Ｆなどの各数値を演算部114に
入力して、負荷圧力Ｐ_loadを演算により求める。

【０１０２】さらに、この負荷圧力演算装置92は、パイ
ロットスプール54の変位Ｘ、速度dX/dtおよび加速度d²X
/dt²からノイズを除去するノイズフィルタ115を備えて
いる。

【０１０３】一方、メータアウト側の通路15のパイロッ
トスプール33が非駆動側の場合は、同様に、このパイロ
ットスプール33をデッドバンドの範囲内で微小変位させ
ることにより、負荷圧力Ｐ_loadを推定することができ
る。

【０１０４】このように、パイロットスプール33，54に
段付き形成された負荷圧力感知部38，77に負荷圧力Ｐ
_loadをフィードバックさせ、そのフィードバック力とパ
イロットスプール33，54の推力などとの釣合い関係から
負荷圧力Ｐ_loadを推定する負荷圧力演算装置92が形成さ
れている。

【０１０５】要するに、この負荷圧力演算装置92は、供
給側（ポンプ側）のパイロット弁と排出側（タンク側）
のパイロット弁とを独立させ、非駆動側のパイロット弁
での通過流量が零となる中立位置近辺の不感帯（デッド
バンド）において、この非駆動側のパイロット弁を微少
変位させることにより、通過流量に伴って発生するフロ
ーフォースを考慮することなく、また負荷圧力を検出す
るための圧力センサを用いることなく、負荷圧力Ｐ_load
を高精度に推定できる。

【０１０６】（２）流量制御機能 前記式１ Ｑ＝α・Ａ・（Ｐ_P−Ｐ_load）^1/2 において、ポンプ吐出圧力Ｐ_Pはポンプ圧力センサ88に
より検出され、負荷圧力Ｐ_loadは負荷圧力演算装置92に
より演算できるから、レバー操作により駆動電流をプッ
シュソレノイド57に供給して、前記関数93，94により演
算されたパイロットスプール54の変位量Ｘ_Cをフィード
バック制御することにより、既に説明したようにメイン
ポペット41の変位量を制御し、すなわちメインポペット
41の開口面積Ａを制御することで、メインポペット41で
の流量Ｑを実現して、流体圧アクチュエータ２の作動速
度を制御する。

【０１０７】（３）圧力制御機能 例えば、流体圧アクチュエータ２のヘッド側室2h にお
ける負荷圧力Ｐ_loadが上昇すると、パイロットスプール
54の負荷圧力室78に臨む負荷圧力感知部77の下側段差部
がその負荷圧力Ｐ_loadを受けて、パイロットスプール54
は図示上方へ変位する。これにより、シート56に対する
ポペット部69の開度が減少し、高負荷駆動が防止され
る。

【０１０８】ポンプ１からの吐出圧力が、駆動したい負
荷圧力よりも高いときでも、この高負荷駆動防止機能に
よりポペット部69の開口中においても、パイロットスプ
ール54が中立位置（図示された閉止位置）に戻され、ポ
ペット部69がシート56を閉じることで、負荷圧力Ｐ_load
がポンプ吐出圧力まで上昇することを防止できる。

【０１０９】さらに、パイロットスプール54に段付き形
状に設けられた負荷圧力感知部77に対し負荷圧力をフィ
ードバックし、ひいては、このパイロットスプール54に
より制御されるメインポペット41の流量制御機構に負荷
圧力をフィードバックする負荷圧力フィードバック機構
が形成されており、メインポペット41により負荷圧力を
設定された値に制御できる。

【０１１０】これを図５で説明すると、操作レバー87の
ステップ入力に対して、実負荷圧力が急上昇して突出す
ると、パイロットスプール54が実パイロットスプール変
位の特性曲線に示されるように、負荷圧力感知部77など
の負荷圧力フィードバック機構により中立位置側に戻さ
れる。これに伴い、メインポペット41も実メインポペッ
ト変位の特性曲線に示されるように、中立位置側に戻さ
れ、実負荷圧力が応答良く減少することで、負荷圧力の
変動を抑え込むことができる。

【０１１１】このときに、駆動したい負荷圧力Ｐ
_loadは、プッシュソレノイド57の推力すなわち駆動電流
によって調整する。

【０１１２】すなわち、前記負荷圧力演算装置92により
負荷圧力Ｐ_loadを推定できるから、パイロットスプール
54に接続されているプッシュソレノイド57を用いてその
負荷圧力Ｐ_loadに対抗する推力を調整する。

【０１１３】例えば、前記圧力フィードバックコントロ
ーラ101によって、プッシュソレノイド57の推力を立上
げるときに、この推力を、対抗する負荷圧力Ｐ_loadによ
るフィードバック力（負荷圧力感知部77の下側受圧面に
作用する上向きの力）より一時的に若干減少させること
で、パイロットスプール54を応答良く中立位置方向へ戻
すことができ、設定圧力を超えないように負荷圧力を圧
力制御することができる。

【０１１４】これを、図６に実線で示すと、操作レバー
87のステップ入力に対してプッシュソレノイド57の推力
が立上がった際に、その立上がり直後にプッシュソレノ
イド57への入力電流値をいったん下げて、その推力を負
荷圧力Ｐ_loadによるフィードバック力より減少させるこ
とで、パイロットスプール54を閉じ方向に動作させ、メ
インポペット41のバネ室51を一時的に昇圧させて、メイ
ンポペット41の開口動作を抑制することにより、負荷圧
力Ｐ_loadが設定圧力をオーバシュートしないように圧力
制御して、制御系の安定性を図ることができる。点線
は、オーバシュートした状態である。

【０１１５】このように、リリーフ弁などの圧力制御弁
を流体圧アクチュエータごとに用いることなく、また負
荷圧力を検出するための圧力センサを用いることなく、
プッシュソレノイド57の推力すなわち駆動電流を制御す
ることによって、流量制御手段でもあるメインポペット
41によって負荷圧力Ｐ_loadを調整することができる。

【０１１６】なお、従来、負荷圧力を圧力センサなどを
用いて計測し、電気的にパイロットスプールを絞り制御
することにより、負荷圧力が予め設定しておいた圧力を
超えないように制御する手法もあるが、フィードバック
の演算遅れなどにより制御系が不安定となる不具合があ
る。

【０１１７】（４）復帰バネ力調整機能 メータインバルブA2IMV で説明すると、ゲイン調整装置
97により、負荷圧力Ｐ _loadに応じてパイロットスプール
54のプッシュソレノイド57に通電される電流値を制御し
て、プッシュソレノイド57の推力を増加または減少させ
るように補正することで、復帰バネ62のバネ力（バネ定
数）を実質的に調整する。

【０１１８】例えば、負荷圧力Ｐ_loadが高い領域では、
すなわち負荷圧力感知部77へのフィードバック力が大き
い領域では、ゲイン調整装置97によりプッシュソレノイ
ド57に供給される電流値のゲインを下げ、プッシュソレ
ノイド57の推力を減少させることにより、復帰バネ62の
バネ力（バネ定数）を相対的に大きくするように補正す
る。これにより、負荷圧力の変動に対するパイロットス
プール54の変位を抑制し、制御系の安定性を向上させ
る。

【０１１９】また、逆に負荷圧力Ｐ_loadが低い領域で
は、ゲイン調整装置97によりプッシュソレノイド57に供
給される電流値のゲインを上げ、プッシュソレノイド57
の推力を増加させることにより、復帰バネ62のバネ力
（バネ定数）を相対的に小さくするように補正する。こ
れにより、わずかな負荷圧力の変化も感度良くフィード
バック感知し、制御精度を良くするとともに、圧力制御
の応答性を向上させる。

【０１２０】特に、パイロットスプール54に負荷圧力Ｐ
_loadをフィードバックさせ、パイロットスプール54に作
用する推力とバネ力とフィードバック力との釣合い関係
から、負荷圧力演算装置92により負荷圧力を推定する際
に、このゲイン調整手法を用いると、負荷圧力の推定精
度を向上できる。

【０１２１】このように、負荷圧力演算装置92により推
定された負荷圧力Ｐ_loadに応じて、ゲイン調整装置97に
よりプッシュソレノイド57に供給される電流値ゲインを
制御することで、その推力を制御すれば、パイロットス
プール54の復帰バネ62のバネ定数を実質的に可変制御で
き、制御系の安定性、制御精度および応答性を向上で
き、円滑な操作性を得ることができる。

【０１２２】このバネ力調整は、メータアウトバルブA3
IMV ，A4IMV でも可能であり、例えば、メータアウトバ
ルブA4IMV において、負荷圧力Ｐ_loadが高い領域では、
すなわち通路36から負荷圧力感知部38へフィードバック
される負荷圧力Ｐ_loadによる力が大きい領域では、復帰
バネ34のバネ力（バネ定数）が相対的に大きくなるよう
に、ゲイン調整装置（97に相当するが図示せず）により
プッシュソレノイド35に供給される電流値のゲインを下
げ、プッシュソレノイド35の推力を減少させるように補
正することで、負荷圧力の変動に対するスプールの変位
を抑制し、制御系の安定性を向上させる。

【０１２３】また、逆に負荷圧力Ｐ_loadが低い領域で
は、復帰バネ34のバネ力（バネ定数）が相対的に小さく
なるように、ゲイン調整装置によりプッシュソレノイド
35に供給される電流値のゲインを上げ、プッシュソレノ
イド35の推力を増加させるように補正することで、わず
かな負荷圧力の変化も感度良くフィードバック感知し、
制御精度および負荷圧力の推定精度を良くするととも
に、圧力制御の応答性を向上させる。

【０１２４】（５）建設機械の作業負荷推定機能 図７に示されるように、作業機械としての油圧ショベル
には、可動体としての作業腕（以下、この作業腕をフロ
ント作業装置FLという）が上下方向へ回動自在に軸支さ
れ、このフロント作業装置FLは、流体圧アクチュエータ
（以下、この流体圧アクチュエータをブームシリンダ２
BMという）により上下動される。

【０１２５】前記作業負荷推定装置102は、油圧ショベ
ルによる積込み作業などにおいて、作業負荷としてのバ
ケット内負荷（土砂荷重）Ｗ_Lを次のように推定する。

【０１２６】作業中はブームシリンダ２BMが動いている
場合が多く、ブームシリンダ２BMのヘッド側に生じた負
荷圧力Ｐ_loadは慣性負荷の影響を受けるため、精度良く
バケット内負荷Ｗ_Lを推定するためには、慣性負荷の影
響を除去する必要がある。

【０１２７】そこで、先ず、ブームシリンダ２BMの負荷
圧力Ｐ_loadの時系列データを、負荷圧力計測手段として
の負荷圧力演算装置92により間接的に計測し、図８に示
されるように、連続的に計測した負荷圧力Ｐ_loadの時系
列データから、慣性負荷による影響である所定範囲の周
波数成分（ω₀〜ω₁）を抽出して差引き、その差引き後
の負荷圧力Ｐ_loadを用いてバケット内負荷Ｗ_Lを推定す
る。

【０１２８】慣性負荷による所定範囲の周波数成分（ω
₀〜ω₁）は、計測した負荷圧力Ｐ_{lo ad}の時系列データを
バンドパスフィルタ121に一定時間だけ通すことによっ
て抽出し、この抽出された所定範囲の周波数成分（ω₀
〜ω₁）を、所定周波数除去演算部としての減算器122に
て、計測した負荷圧力Ｐ_loadの時系列データから差引く
ことにより、慣性負荷の影響を除去できる。

【０１２９】バンドパスフィルタ121を一定時間だけ使
うのは、その後の追従性を良くするためである。

【０１３０】この場合、バンドパスフィルタ121のバン
ド幅（ω₀〜ω₁）は、フロント作業装置FLの固有周波数
に合わせる。これにより、フロント作業装置FLの固有振
動による慣性負荷を効果的に除去できる。

【０１３１】図９に示されるように、バンドパスフィル
タ121は、微分要素123によってω₀以下の周波数をカッ
トし、ローパスフィルタ124によってω₁以上の周波数を
カットすることにより、所定範囲の周波数成分（ω₀〜
ω₁）を抽出する。

【０１３２】減算器122にて所定範囲の周波数成分（ω₀
〜ω₁）を差引いた負荷圧力Ｐ_loadは、作業負荷演算部1
25に入力して、フロント作業装置FLの先端バケット内に
ある作業負荷すなわちバケット内負荷Ｗ_Lを演算により
推定する。

【０１３３】すなわち、この作業負荷演算部125では、
フロント作業装置FLの各回動軸部に設けられた回動角度
検出器でフロント作業装置FLの姿勢を計測してバケット
内負荷Ｗ_Lの（Ｘ，Ｚ）座標値を求め、前記慣性負荷の
影響を取除いたブームシリンダ２BMのヘッド側室の負荷
圧力Ｐ_loadと、バケット内負荷Ｗ_Lの（Ｘ，Ｚ）座標値
とから、バケット内負荷Ｗ_Lを、Ｗ_L＝ｆ（Ｐ_load，Ｘ，
Ｚ）により演算することができる。

【０１３４】このバケット内負荷Ｗ_Lは、作業毎に演算
して積算することにより、例えば運搬車両に対する土砂
などの積込み総重量を簡単に算出でき、特別な荷重セン
サを用いることなく、許容重量の超過を防止できる。

【０１３５】図１０は、点線により、慣性負荷の影響を
受けている負荷圧力Ｐ_loadの時系列データを示し、ま
た、実線により、バンドパスフィルタ121を通して抽出
した所定範囲の周波数成分（ω₀〜ω₁）を取除いた負荷
圧力Ｐ_loadの時系列データ、すなわちフロント作業装置
FLの慣性負荷の影響を取除いた負荷圧力Ｐ_loadの時系列
データを示す。

【０１３６】このように、油圧ショベルの積込み作業な
どにおいてブームシリンダ２BMが作動している最中で
も、フロント作業装置FLの慣性負荷の影響を排除して、
シリンダの負荷圧力Ｐ_loadを精度良く推定し、シリンダ
の負荷圧力Ｐ_loadとフロント作業装置FLの姿勢とから、
バケット内負荷Ｗ_Lを迅速かつ正確に求めることができ
る。

【０１３７】次に、この作業負荷推定装置102により慣
性負荷の影響を排除して高精度に推定されたブームシリ
ンダ２BMの負荷圧力は、圧力フィードバックコントロー
ラ101に取り込まれ、圧力制御に用いられる。その制御
のシミュレーション結果を、図１１〜図１４に示す。

【０１３８】（シミュレーション条件） （１）シリンダ初期負荷：０Ｐa（バケットを地上に置
いた状況を想定） （２）ポンプ初期負荷：20×9.81×10⁴Ｐa、ただし、レ
バー操作後のポンプ吐出圧力は、実シリンダ負荷圧力よ
り20×9.81×10⁴Ｐa以上高くなるようにメインリリーフ
弁９が制御されているものとする。

【０１３９】（３）レバー入力：シミュレーション開始
0.2秒後にステップ入力（100％）、ただし、レバー入力
は20Ｈzの２次系ローパスフィルタを通したものとす
る。

【０１４０】（４）シリンダ負荷圧力：100×9.81×10⁴
Ｐa、ただし、シリンダ負荷圧力はシリンダが動き出し
た直後に発生するものとする。

【０１４１】・図１１は、圧力制御系への操作レバーの
ステップ入力に対する実メインポペット変位、要求メイ
ンポペット変位、実パイロットスプール変位、要求パイ
ロットスプール変位の各シミュレーション結果を示すス
テップ応答特性図である。

【０１４２】Ａ :操作レバー位置 Ｂ :実メインポペット変位 Ｃ :要求メインポペット変位 Ｄ :実パイロットスプール変位 Ｅ :要求パイロットスプール変位 ・図１２は、圧力制御系への操作レバーのステップ入力
に対する実シリンダ速度および実シリンダ変位の各シミ
ュレーション結果を示すステップ応答特性図である。

【０１４３】Ｆ :実シリンダ速度 Ｇ :実シリンダ変位 ・図１３は、流量制御系への操作レバーのステップ入力
に対する実メインポペット変位、要求メインポペット変
位、実パイロットスプール変位、要求パイロットスプー
ル変位の各シミュレーション結果を示すステップ応答特
性図である。

【０１４４】Ａ´:操作レバー位置 Ｂ´:実メインポペット変位 Ｃ´:要求メインポペット変位 Ｄ´:実パイロットスプール変位 Ｅ´:要求パイロットスプール変位 ・図１４は、流量制御系への操作レバーのステップ入力
に対する実シリンダ速度および実シリンダ変位の各シミ
ュレーション結果を示すステップ応答特性図である。

【０１４５】Ｆ´:実シリンダ速度 Ｇ´:実シリンダ変位 （シミュレーション結果）図１１のシミュレーション結
果と図１３のシミュレーション結果とを比較すると、流
量制御より圧力制御の方が負荷圧力の変動が小さく、し
かも早く収束することがわかる。これは、負荷圧力が高
いとき、パイロットスプール54が中立位置（閉止位置）
方向に戻され、それに伴い、メインポペット41の開口が
減少し、これにより、負荷圧力が減少するためである。

【０１４６】また、図１２のシミュレーション結果と図
１４のシミュレーション結果とを比較すると、流量制御
より圧力制御の方がシリンダ速度変化が滑らかであり、
流体圧アクチュエータ２をスムーズに作動させることが
できる。

【０１４７】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、制御弁に
負荷圧力をフィードバックさせて、制御弁に作用する推
力と変位により生じた力とフィードバック力との釣合い
関係から負荷圧力を推定するから、圧力センサを用いる
ことなく負荷圧力を推定できる。また、駆動する必要の
ない非駆動側の制御弁を通過流量が零となる中立位置近
辺の不感帯において微少変位させるように駆動するか
ら、制御弁の本来の機能を損なうことなく負荷圧力を推
定できる。さらに、制御弁の変位量が中立位置近辺の不
感帯における微小変位であるから、制御弁での通過流量
によるフローフォースの発生を防止して、負荷圧力を高
精度に推定できる。

【０１４８】請求項２記載の発明によれば、制御弁の負
荷圧力感知部に負荷圧力をフィードバックさせ、駆動手
段により生じた力と、変位センサで検出された変位によ
り生じた力と、負荷圧力により生じたフィードバック力
との釣合い関係から、圧力センサを用いることなく負荷
圧力演算装置にて負荷圧力を演算できる。また、駆動す
る必要のない非駆動側の制御弁を通過流量が零となる中
立位置近辺の不感帯において微少変位させるように駆動
手段により駆動するから、負荷圧力を推定する際に制御
弁の本来の機能を損なうことなく負荷圧力を推定でき
る。さらに、中立位置近辺の不感帯における微小変位で
あるから、制御弁での通過流量によるフローフォースの
発生を防止して、負荷圧力を高精度に推定できる。

【０１４９】請求項３記載の発明によれば、パイロット
スプールが、自身における力の釣合い関係から負荷圧力
を推定できるとともに、負荷圧力感知部にフィードバッ
クされた負荷圧力により、負荷圧力の急激な変化に直ち
に対抗動作でき、メインポペットを応答良くパイロット
制御できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の流体圧回路における負荷圧力推定装置
に係る制御弁の一実施の形態を示す断面図である。

【図２】同上制御弁により形成されたブリッジ回路の一
実施の形態を示す流体圧回路図である。

【図３】同上制御弁を圧力−流量複合制御する制御系の
一実施の形態を示すブロック図である。

【図４】同上制御系における負荷圧力演算装置の一例を
示すブロック図である。

【図５】同上制御系における負荷圧力フィードバック機
能の一例を示す特性図である。

【図６】同上制御系における圧力制御機能の一例を示す
特性図である。

【図７】同上制御系における作業負荷推定装置の機能を
説明するための説明図である。

【図８】同上作業負荷推定装置の一例を示すブロック図
である。

【図９】同上作業負荷推定装置におけるバンドパスフィ
ルタの一例を示すブロック図である。

【図１０】同上作業負荷推定装置により慣性負荷の影響
を除去する機能の一例を示す特性図である。

【図１１】本発明に係る圧力制御系への操作レバーのス
テップ入力に対するメインポペット変位およびパイロッ
トスプール変位のシミュレーション結果を示すステップ
応答特性図である。

【図１２】同上圧力制御系への操作レバーのステップ入
力に対するシリンダ速度およびシリンダ変位のシミュレ
ーション結果を示すステップ応答特性図である。

【図１３】本発明に係る流量制御系への操作レバーのス
テップ入力に対するメインポペット変位およびパイロッ
トスプール変位のシミュレーション結果を示すステップ
応答特性図である。

【図１４】同上流量制御系への操作レバーのステップ入
力に対するシリンダ速度およびシリンダ変位のシミュレ
ーション結果を示すステップ応答特性図である。

【図１５】ブリッジ回路を含む流体圧アクチュエータ制
御回路を示す回路図である。

【図１６】従来の圧力センサを用いた負荷圧力フィード
バック機構を示す回路図である。

【符号の説明】

A1IMV，A2IMV 制御弁としてのメータインバルブ A3IMV，A4IMV 制御弁としてのメータアウトバルブ ２ 流体圧アクチュエータ 22，41 メインポペット 33，54 パイロットスプール 35，57 駆動手段としてのプッシュソレノイド 38，77 負荷圧力感知部 40，82 変位センサ 92 負荷圧力演算装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F055 AA39 BB20 CC06 DD20 EE03 FF11 GG31 3H082 AA23 CC02 DA18 DE05 EE02 3H089 BB27 DB63 DB73 DB75 EE36 FF07 FF12 FF16 GG02 JJ02

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流体圧アクチュエータに作動流体を供給
   する側の制御弁と流体圧アクチュエータから作動流体を
   排出する側の制御弁とをそれぞれ独立に制御する流体圧
   回路において、 両方の制御弁に負荷圧力をフィードバックさせ、 両方の制御弁のうち駆動する必要のない非駆動側となる
   制御弁を通過流量が零となる中立位置近辺の不感帯にお
   いて微少変位させるように駆動し、 この非駆動側の制御弁に作用する推力と変位により生じ
   た力とフィードバック力との釣合い関係から負荷圧力を
   推定することを特徴とする流体圧回路における負荷圧力
   推定方法。
2. 【請求項２】 流体圧アクチュエータに供給される流体
   を制御する一方の制御弁と、 一方の制御弁とは独立して作動され流体圧アクチュエー
   タから排出される流体を制御する他方の制御弁と、 両方の制御弁のうち駆動する必要のない非駆動側となる
   制御弁を通過流量が零となる中立位置近辺の不感帯にお
   いて微少変位させる駆動手段と、 微少変位された制御弁の変位量を検出する変位センサ
   と、 両方の制御弁にそれぞれフィードバックされた負荷圧力
   を受圧する負荷圧力感知部と、 駆動手段により生じた力と変位により生じた力と負荷圧
   力により生じた力との釣合い関係から負荷圧力を演算す
   る負荷圧力演算装置とを具備したことを特徴とする流体
   圧回路における負荷圧力推定装置。
3. 【請求項３】 制御弁は、 パイロット流量増幅型のメインポペットと、 メインポペットをパイロット操作するパイロットスプー
   ルとを具備し、 駆動手段、変位センサおよび負荷圧力感知部は、パイロ
   ットスプールに設けられたことを特徴とする請求項２記
   載の流体圧回路における負荷圧力推定装置。