JP2003009308A

JP2003009308A - 作業機械

Info

Publication number: JP2003009308A
Application number: JP2001189465A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Komiyama; 昌之小見山; Hideaki Yoshimatsu; 英昭吉松
Original assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2001-06-22
Filing date: 2001-06-22
Publication date: 2003-01-10

Abstract

(57)【要約】【課題】ハイブリッド駆動による省エネルギ運転と、
発電機兼電動機のみによる排気ガスゼロ運転を作業状況
に応じて使い分けることができること。【解決手段】本油圧ショベルは、エンジン１０の出力
軸にクラッチ１４を介して接続された油圧ポンプ１３
と、この油圧ポンプ１０を経由して接続され、発電機動
作又は電動機動作を行う発電機兼電動機１１と、これに
より発電された電力を蓄えるバッテリ１２と、発電機兼
電動機１１の動作状態に応じてクラッチ１４の断続制御
を行う制御装置３１とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、原動機と電動機と
を動力源とするショベル、クローラクレーン、ホイール
クレーン等の作業機械に係り、詳しくは油圧と電気とで
動力伝達するハイブリッド作業機械に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、省エネルギの要請から、油圧ショ
ベル等の作業機械の動力システムとして、原動機と発電
機兼電動機とによるいわゆるハイブリッド作業機械が種
々開発されている（実開平5-48501号公報、特開平9-224
354号広報参照）。これらのハイブリッド作業機械は、
いずれも原動機とこの原動機に直結した発電機兼電動機
とを備えており、原動機の出力に余裕があるときには、
原動機で発電機兼電動機を回転して発電させ、この発電
された電力をバッテリに充電しておく。そして、原動機
の出力が不足したときには、バッテリに蓄えておいた電
力を発電機兼電動機に供給することで、原動機の出力の
不足分を補うものである。したがって、原動機自体を小
型化しても、非ハイブリッド機と同様の作業を行うこと
ができた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、現在の油圧シ
ョベルの作業現場は多様化しており、なかでも都市型シ
ョベルと呼ばれる中小型機では、後端半径を車幅内に納
めることにより後方を気にせず旋回できる後方小旋回型
に移行し、狭所での機動性を有するようになった。この
ため、住宅街における下水工事等、一般住民や家屋の間
近で作業を行うケースが増え、排気ガスによる住民や植
木等への影響が大きくなった。さらに、トンネル内での
作業、屋内に入っての解体作業等、排気ガスが充満する
ような現場もあり、その排気ガスの処理に換気用のファ
ンを設置するなどの配慮が必要になっている。かかる状
況下、ハイブリッド作業機械は、非ハイブリッド機と比
べると排気ガス量を少なくすることができるが、排気ガ
スを完全になくすことはできない。

【０００４】なお、特開平9-278371号公報に開示された
技術では、原動機と発電機とによるハイブリッド作業機
械の構成をとっているが、この発電機への電力供給はバ
ッテリ又は外部電源からとられている。このバッテリ駆
動の場合には、排気ガスは全くなくなるものの、バッテ
リの放電可能時間によってその稼働時間が制約される。
また、外部電源駆動の場合には、電気コードによってそ
の行動範囲が制約される。これらの制約から、実際に、
バッテリ駆動等の作業機械を上記原動機と発電機兼電動
機とによるハイブリッド作業機械に代替することは困難
であった。

【０００５】本発明は上記事情に鑑みてなされたもので
あり、その目的とするところは、ハイブリッド駆動によ
る省エネルギ運転と、発電機兼電動機のみによる排気ガ
スゼロ運転とを作業状況に応じて使い分けできる作業機
械を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
下部走行体上に上部旋回体が搭載され、この上部旋回体
に作業用アタッチメントが設けられてなる作業機械にお
いて、原動機と、原動機の出力軸にクラッチを介して接
続された回転軸を有し、下部走行体、上部旋回体及び作
業用アタッチメントの少なくともいずれかを動かすため
の液圧アクチュエータを駆動する液圧ポンプと、液圧ポ
ンプの回転軸に接続され、発電機動作又は電動機動作を
行う発電機兼電動機と、発電機兼電動機に電気的に接続
された蓄電装置と、制御装置とを備え、制御装置は、発
電機兼電動機が原動機の出力と液圧ポンプの必要動力と
の関係に応じて発電機動作と電動機動作のうちのいずれ
かの動作を行うハイブリッドモードと、発電機兼電動機
が電動機動作のみを行う電動機モードとを有し、モード
切換操作により、ハイブリッドモードに切り換えられた
場合には、クラッチを接続状態とするとともに、上記出
力が上記必要動力よりも大きいときには、発電機兼電動
機を発電機動作させて、この発電機兼電動機で発電され
た電力を蓄電装置に蓄えさせ、上記出力が上記必要動力
よりも小さいときには、蓄電装置に蓄えられた電力を発
電機兼電動機に供給して、この発電機兼電動機を電動機
動作させ、かつ、電動機モードに切り換えられた場合に
は、クラッチを切断状態とするとともに、蓄電装置に蓄
えられた電力を発電機兼電動機に供給して、発電機兼電
動機を電動機動作させるように制御することを特徴とす
るものである。

【０００７】上記構成によれば、原動機と液圧ポンプと
の間にクラッチが介在され、モード切換操作により、ハ
イブリッドモードに切り換えられた場合には、このクラ
ッチが接続状態とされるとともに、原動機の出力が液圧
ポンプの必要動力よりも大きいときには、液圧ポンプ経
由で伝達される原動機の回転力により該発電機兼電動機
で発電されて、この発電電力が蓄電装置に蓄えられ、原
動機の出力が液圧ポンプの必要動力よりも小さいときに
は、蓄電装置に蓄えられた電力が発電機兼電動機に供給
されて、上記原動機の回転力に加えて、この発電機兼電
動機で液圧ポンプがアシスト駆動されるので、原動機と
発電機兼電動機とのハイブリッド駆動で省エネルギ運転
がなされる（以下、ハイブリッド運転という）。

【０００８】一方、モード切換操作により、電動機モー
ドに切り換えられた場合には、上記クラッチが切断状態
とされ、蓄電装置に蓄えられた電力が発電機兼電動機に
供給されて、この発電機兼電動機のみで液圧ポンプが駆
動される（以下、電動機運転という）。この電動機運転
では、原動機が停止されると排気ガスが全くでなくなる
ので、トンネル内の工事や地下鉄工事等、閉鎖空間での
使用に便宜である。また、低騒音であるので、住宅地や
病院付近等での使用に便宜でもある。

【０００９】さらに、自走式であるので、作業機械をト
ンネルから外に出したり、住宅地から離せば、それ自身
の原動機で発電機兼電動機を駆動して蓄電装置に充電さ
れる。この充電が終了すれば、上記電動機運転が可能と
なる。

【００１０】ところで、ハイブリッドモードにおいて、
軽負荷作業が長時間継続すると、発電機兼電動機が発電
機動作する状態が多くなり、蓄電装置への蓄電（充電）
が進む。蓄電装置は、最大充電量（満充電）に近づく
と、最大入力電力が低下してくる。原動機が定格出力を
行った場合に液圧ポンプへの動力供給を行った後の余剰
動力が蓄電装置に充電できなくなると、原動機は出力を
落とさざるを得なくなる。原動機は定格出力付近が最も
効率がよく、原動機の出力変動をさせることは、作業機
械のシステム全体として効率低下につながる。そこで、
請求項２記載の発明のように、制御装置は、ハイブリッ
ドモードにおいて、蓄電装置の蓄電量が設定値を超えた
ときに、電動機モードに切り換えるように制御すること
とすれば、例えば蓄電装置が満充電状態の場合には、電
動機モードに一時的に切り換えられ、クラッチが切断さ
れて、原動機が停止され、液圧ポンプが蓄電装置のみに
よって駆動されるように切り換えられ、蓄電装置の蓄電
量が減少すると、再度ハイブリッドモードに戻されるこ
とにより、原動機の出力変動を抑えて、その効率を低下
させることがなくなるので、作業機械のシステム全体の
高効率化が図られる。

【００１１】請求項３記載の発明のように、クラッチ
は、外力が作用するまでは接続状態とされ、外力が作用
したときに切断状態とされるネガティブ作動型のクラッ
チであることとすれば、ハイブリッド運転の場合には、
クラッチの接続に動力を必要とせず、さらなる省エネル
ギ化が図られるようになる。

【００１２】請求項４記載の発明のように、クラッチ
は、一方向にのみ回転を伝えるワンウエイクラッチであ
ることとすれば、ハイブリッド運転の場合には、クラッ
チが接続状態となり、原動機を停止して発電機兼電動機
で油圧ポンプを駆動する際にはその駆動力が原動機に伝
達されないので、クラッチの接続や切断の操作にも動力
も切換操作も不要となる。したがって、さらなる省エネ
ルギ化が図られるとともに、操作がより簡単化される。

【００１３】請求項５記載の発明のように、下部走行
体、上部旋回体及び作業用アタッチメントの少なくとも
いずれかを動かすための駆動用電動機を備え、この駆動
用電動機に発電機兼電動機からの電力又は上記蓄電装置
からの電力を供給するように構成したこととすれば、例
えば旋回動作を直接電動機で駆動したり、ブームシリン
ダを電動機駆動の油圧ポンプで駆動することで、より一
層の省エネルギ化が図られるとともに、作業機械の駆動
方法が多様化される。

【００１４】

【発明の実施の形態】（実施形態１）図１はクローラ式
油圧ショベルの全体構成を示す図であって、作業機械の
一例としての油圧ショベルの車体は、下部走行体１と、
上部旋回体２とより構成されており、この上部旋回体２
の前部には掘削用アタッチメント（作業用アタッチメン
ト）３が起伏自在に装着されている。

【００１５】下部走行体１は、左右のクローラフレーム
４及びクローラ（いずれも片側のみ図示）５からなり、
両側クローラ５が、左右の走行用油圧モータ７により個
別に回転駆動されて走行する。

【００１６】上部旋回体２は、旋回フレーム８、キャビ
ン９等からなり、旋回フレーム８に、原動機としてのエ
ンジン１０と、このエンジン１０によって油圧ポンプ１
３経由で駆動される発電機兼電動機１１と、蓄電装置と
してのバッテリ１２等が設置されている。

【００１７】掘削用アタッチメント３は、ブーム１７、
上記油圧ポンプ１３からの圧油により伸縮動作してブー
ム１７を起伏させるブームシリンダ１８と、アーム１９
と、このアーム１９を回動させるアームシリンダ２０
と、バケット２１と、このバケット２１を回動させるバ
ケットシリンダ２２とを具備している。

【００１８】図２は本発明の実施形態１に係るクローラ
式油圧ショベルの駆動系及び制御系を示すブロック図で
あるが、本図は後述する実施形態２と共通のものである
ため、実施形態２のみにおける構成要素（符号３１ｈ）
をも含んでいる。なお、同図中、実線は油圧系統、破線
は電気系統を示している。

【００１９】ここでは、エンジン１０の出力軸にクラッ
チ１４を介して各油圧アクチュエータ（旋回及び左右走
行用油圧モータ６，７、ブーム、アーム、バケット各シ
リンダ１８，２０，２２）を駆動する油圧ポンプ１３の
回転軸が接続されており、さらにこの油圧ポンプ１３の
回転軸に発電機兼電動機１１が接続されている。

【００２０】クラッチ１４は、その制御装置（後述）と
ともに本発明の特徴をなすもので、このクラッチ１４の
接続状態を維持する場合には外部からの動力又は人力を
必要とせず、切断状態とする場合にのみ外部からの動力
又は人力を必要とするネガティブ作動型のクラッチ、例
えばバネの力によってクラッチが接続し、油圧によって
切断する方式である。或いは、一方向にのみ回転を伝え
るワンウエイクラッチである。したがって、クラッチ１
４の接続操作においては動力又は人力が不要であるの
で、その分だけ省エネルギが図られる。さらに、上記ワ
ンウエイクラッチの場合には、接続と切断の操作自体も
不要となり、操作がより簡単化される。

【００２１】発電機兼電動機１１は、発電機動作又は電
動機動作を行うものであって、クラッチ１４を切断状態
としてこの発電機兼電動機１１のみで油圧ポンプ１３を
駆動可能な出力（トルク）を発生できるものである。

【００２２】発電機兼電動機１１とバッテリ１２との間
には制御装置３１を電気的に介在させているが、この制
御装置３１は、オペレータによる操作が可能なモード切
換スイッチ３０ａを備えており、発電機兼電動機１１が
エンジン１０の出力と油圧ポンプ１３の必要動力との関
係に応じて発電機動作と電動機動作のいずれかの動作を
行うハイブリッドモードと、発電機兼電動機１１が電動
機動作のみを行う電動機モードとを記憶するメモリ３１
ａと、上記モード切換スイッチ３０ａの操作内容を判断
する判断回路３１ｂと、この判断回路３１ｂでモード切
換スイッチ３０ａの操作によってハイブリッドモードへ
切り換えられたと判断された場合には、切断指令信号を
発することなくクラッチ１４の接続状態を維持するとと
もに、エンジン１０を定格出力で稼働させ、後述する比
較回路３１ｆによる比較結果に応じて発電機兼電動機１
１の回転により発電された電力をバッテリ１２に充電す
るか、或いは、バッテリ１２に蓄えられた電力を発電機
兼電動機１１に供給してこの発電機兼電動機１１を回転
させ、かつ、モード切換スイッチ３０ａの操作によって
電動機モードに切り換えられたと判断した場合には、切
断指令信号を発することによりクラッチ１４を切断状態
するとともに、エンジン１０を停止（ゼロ出力）させ、
バッテリ１２に蓄えられた電力を発電機兼電動機１１に
供給してこの発電機兼電動機１１を回転させるように、
上記発電機兼電動機１１の動作切換を行う動作切換回路
３１ｃとを備えている。なお、モード切換スイッチ３０
ａは終了動作を行うための終了モードをも操作可能であ
り、判断回路３１ｂがモード切換スイッチ３０ａの操作
によって終了モードに切り換えられたと判断された場合
には、動作切換回路３１ｃは終了動作を行うようになっ
ている。

【００２３】また、油圧ポンプ１３は、エンジン１０の
出力よりも大きい最大動力を有し、その必要動力を検出
するために油圧ポンプ１３の吐出圧を検出する圧力セン
サ３０ｂを備えており、エンジン１０は、その出力（ト
ルク）を検出するためにエンジン１０の回転数を検出す
る回転計３０ｃを備えている。

【００２４】さらに、上記制御装置３１は、回転計３０
ｃの検出値からエンジン１０の出力を計算する出力計算
回路３１ｄと、圧力センサ３０ｂの検出値から油圧ポン
プ１３の必要動力を計算する必要動力計算回路３１ｅ
と、両回路３１ｄ，３１ｅによる計算値を差分してその
正負を判断する比較回路３１ｆと、比較回路３１ｆで上
記差分が負、つまり、油圧ポンプ１３の必要動力がエン
ジンの出力よりも大きいと判断した場合には、発電機兼
電動機１１を電動機動作させ、上記差分に相当する電力
分だけバッテリ１２から電力供給して油圧ポンプ１３を
アシスト駆動し、上記差分が正、つまり、油圧ポンプ１
３の必要動力がエンジン１０の出力よりも小さいと判断
した場合には、発電機兼電動機１１を発電機動作させ、
上記差分に相当する電力分だけ発電し、この発電電力を
バッテリ１２に充電するように発電機兼電動機１１の入
出力電力を制御する入出力制御回路３１ｇとを備えてい
る。

【００２５】油圧ポンプ１３からの圧油は、各油圧アク
チュエータ６，７，…ごとに設けられたコントロールバ
ルブ（ここでは一括して図示している。）３２を介して
各油圧アクチュエータ６，７，…に供給され、このコン
トロールバルブ３２によって各油圧アクチュエータ６，
７，…の作動速度、トルク、作動方向が制御されるよう
になっている。３３は油圧ポンプ１３によって吸入さ
れ、コントロールバルブ３２から排出される作動油を貯
留するためのタンクである。

【００２６】なお、上記制御装置３１の各回路３１ｂ〜
３１ｇは、ハードウエアでもソフトウエアでも構成でき
る。例えば、図示しないＲＯＭに記憶しておいたコンピ
ュータプログラムを、図示しないＣＰＵに適宜読み出し
て実行させることで具現化することができる。

【００２７】図３は本実施形態１の動作のフローチャー
トである。以下、同図を参照しつつ、本実施形態１の動
作をハイブリッド運転と電動機運転とに分けて説明す
る。

【００２８】（ハイブリッド運転）オペレータがモード
切換スイッチ３０ａをハイブリッドモードに切換操作す
ると（ステップＳ１）、ハイブリッド運転が開始される
が、このとき制御装置３１の判断回路３１ｂは、まずメ
モリ３１ａの記憶内容を参照し、ハイブリッドモードと
電動機モードのいずれが入力されたか、或いは、終了モ
ードが入力されたかを判断する（ステップＳ２）。そし
て、ハイブリッドモードが入力されたと判断した場合に
は、動作切換回路３１ｃから切断指令信号が発せられる
ことがないので、クラッチ１４は接続状態を維持する
（ステップＳ３）。この場合、エンジン１０が稼働さ
れ、これにより油圧ポンプ１３が駆動されるとともに、
発電機兼電動機１１が駆動される。

【００２９】すると、油圧ポンプ１３はタンク３３から
作動油を吸引してコントロールバルブ３２を経由して各
油圧アクチュエータ６，７，…に圧油として供給し、こ
の圧油によって各油圧アクチュエータ６，７，…を作動
させる。各油圧アクチュエータ６，７，…の作動によっ
て、各ショベル動作（掘削、走行、旋回）が行われる。
各油圧アクチュエータ６，７，…からの戻り油はコント
ロールバルブ３２からタンク３３に戻る。

【００３０】そして、圧力センサ３０ｂは油圧ポンプ１
３の吐出圧を検出し（ステップＳ５）、この検出値から
油圧ポンプ１３の必要動力が必要動力計算回路３１ｅで
計算され（ステップＳ６）。同時に、回転計３０ｃはエ
ンジン１０の回転数を検出し（ステップＳ７）、この検
出値からエンジン１０の出力が出力計算回路３１ｄで計
算される（ステップＳ８）。これらの計算結果の差分を
比較回路３１ｆで求めてその正負を比較し（ステップＳ
９，Ｓ１０）、上記差分が正であれば、油圧ポンプ１３
がエンジン１０の定格出力以下の負荷で運転されている
と判断する（ステップＳ１０でＹＥＳ）。この判断結果
に従って、入出力制御回路３１ｇは、発電機兼電動機１
１を発電機として動作させ、発生した交流電力（上記差
分に相当）を図示しない電力変換器で直流に変換してバ
ッテリ１２に充電する（ステップＳ１１）。

【００３１】一方、比較回路３１ｆは、上記差分が負で
あれば、油圧ポンプ１３がエンジン１０の定格出力を超
える負荷を要求していると判断する（ステップＳ１０で
ＮＯ）。この判断結果に従って、入出力制御回路３１ｇ
は、発電機兼電動機１１を電動機に切り換えて動作さ
せ、上記定格出力を超える負荷を補うようにするが、そ
のための電力（上記差分に相当）はバッテリ１２の蓄電
エネルギで賄う（ステップＳ１２）。

【００３２】そして、上記ステップＳ１の直前に戻り、
ステップＳ２で電動機モードが入力されたと判断された
ときは下記発電機運転に入り、また終了モードが入力さ
れたと判断されたときは終了動作するが、それまでは、
各ステップＳ１〜Ｓ３，Ｓ５〜Ｓ１２を繰り返す。

【００３３】このようにして、ハイブリッド運転では、
エンジン１０を定格出力付近の高出力で安定して使用で
きるため、エンジン１０は常にその効率のよい領域で使
用できる。

【００３４】（電動機運転）オペレータがモード切換ス
イッチ３０ａを電動機モードに切換操作すると（ステッ
プＳ１）、電動機運転が開始されるが、このとき制御装
置３１の判断回路３１ｂは、まずメモリ３１ａの記憶内
容を参照し、ハイブリッドモードと電動機モードのいず
れが入力されたか、或いは、終了モードが入力されたか
を判断する（ステップＳ２）。そして、電動機モードが
入力されたと判断した場合には、制御装置３１の動作切
換回路３１ｃからの切断指令信号が発せられ、これによ
りクラッチ１４は切断状態とされ、エンジン１０は停止
される（ステップＳ４）。この場合、動作切換回路３１
ｃは、発電機兼電動機１１を電動機として動作させる
が、そのための電力はバッテリ１２の蓄電エネルギで賄
う（ステップＳ１２）。

【００３５】そして、上記ステップＳ１の直前に戻り、
ステップＳ２でハイブリッドモードが入力されたと判断
されたときは上記ハイブリッド運転に入り、また終了モ
ードが入力されたと判断されたときは終了動作するが、
それまでは、各ステップＳ１，Ｓ２，Ｓ４，Ｓ１２を繰
り返す。

【００３６】このようにして、電動機運転では、発電機
兼電動機１１のみによって油圧ポンプ１３を駆動させ、
油圧系統を上記と全く同様に動作させるので、これによ
り各ショベル動作（掘削、走行、旋回）が行われ、十分
な作業能力を発揮させることができる。

【００３７】以上説明したように、本実施形態１では、
エンジン１０と油圧ポンプ１３との間の接続状態を維持
又は切断可能なクラッチ１４を介在させたので、クラッ
チ１４で上記接続状態を維持することでエンジン１０と
発電機兼電動機１１とのハイブリッド運転で省エネルギ
運転が可能となるとともに、クラッチ１４で上記接続状
態を切断することで発電機兼電動機１１のみによって油
圧ポンプ１３を駆動する電動機運転が可能となる。この
電動機運転では、エンジン１０を停止しているので、排
気ガスが全くでなくなり、トンネル内の工事や地下鉄工
事等、閉鎖空間での使用に便宜である。また、低騒音で
あるので、住宅地や病院付近等での使用に便宜でもあ
る。

【００３８】さらに、本実施形態１の油圧ショベルは自
走式であるので、油圧ショベルをトンネルから外に出し
たり、住宅地から離せば、それ自身のエンジン１０で発
電機兼電動機１１を駆動してバッテリ１２に充電するこ
とができる。この充電が終了すれば、上記電動機運転が
可能となる。

【００３９】（実施形態２）ところで、ハイブリッドモ
ードにおいて、軽負荷作業が長時間継続すると、発電機
兼電動機１１が発電機動作する状態が多くなり、バッテ
リ１２への充電が進む。バッテリ１２は、満充電に近づ
くと、最大入力電力が低下してくる。エンジン１０が定
格出力を行った場合に油圧ポンプ１３への動力供給を行
った後の余剰動力がバッテリ１２に充電できなくなる
と、エンジン１０は出力を落とさざるを得なくなる。エ
ンジン１０は定格出力付近が最も効率がよく、エンジン
１０の出力変動をさせることは、油圧ショベルのシステ
ム全体として効率低下につながる。

【００４０】そこで、本実施形態２では、制御装置３１
は、ハイブリッドモードにおいて、バッテリ１２の蓄電
量（充電量）が設定値（しきい値）を超えたときに、電
動機モードに切り換えるように制御するモード切換回路
３１ｈを付加することとした（図１参照）。なお、上記
モード切換回路３１ｈは、上記実施形態１の各回路３１
ｂ〜３１ｇと同様に、ハードウエアでもソフトウエアで
も構成できる。バッテリ１２の充電量は、制御装置３１
にもともと備わっているバッテリ１２との接続端子にお
ける端子電圧と入出力電流との積を累積的に加算するこ
とによって検出できる。電圧センサ、電流センサは図示
しない。その他の構成は上記実施形態１と同様である。

【００４１】図４は本実施形態２の動作のフローチャー
トである。以下、同図を参照しつつ、本実施形態２の動
作をハイブリッド運転と電動機運転とに分けて説明す
る。なお、ここでは、バッテリ１２の充電量のしきい値
として、所定値１，２の２種類が用意されているが、所
定値１＜所定値２であるものとする。また、最初のルー
プを認識するためのＦＬＡＧ１と、上記所定値１，２の
いずれを適用するかを判断するためのＦＬＡＧ２とがそ
れぞれ設定される。

【００４２】（ハイブリッド運転）電源投入により、初
期値としてＦＬＡＧ１＝ＯＦＦ、ＦＬＡＧ２＝ＯＦＦが
設定される（ステップＳ３０）。オペレータがモード切
換スイッチ３０ａをハイブリッドモードに切換操作する
と（ステップＳ３１）、ハイブリッド運転が開始される
が、このとき制御装置３１の判断回路３１ｂは、まずメ
モリ３１ａの記憶内容を参照し、ハイブリッドモードと
電動機モードのいずれが入力されたか、或いは、終了モ
ードが入力されたかを判断する（ステップＳ３２）。こ
こでは、ハイブリッドモードが入力されたと判断され
る。

【００４３】ついで、モード切換回路３１ｈは、ＦＬＡ
Ｇ２がＯＮか否かを判断するが（ステップＳ３３）、初
期設定のまま（ＦＬＡＧ２＝ＯＦＦ）であるので、バッ
テリ１２の充電量（バッテリ容量）が所定値２よりも小
さいか否かが判断される（ステップＳ３４）。そして、
バッテリ１２の充電量が所定値２よりも大きいと判断さ
れた場合には（ステップＳ３４でＮＯ）、動作切換回路
３１ｃから切断指令信号が発せられ、クラッチ１４が切
断される。エンジン１０は停止のままである（ステップ
Ｓ３６）。ついで、ＦＬＡＧ１＝ＯＮか否かが判断され
るが（ステップＳ３７）、最初のループ（ＦＬＡＧ１＝
ＯＦＦ）であるので、ステップＳ３８に進み、ここでＦ
ＬＡＧ１＝ＯＮとされる。そして、発電機兼電動機１１
が電動機として駆動され（ステップＳ４９）、上記ステ
ップＳ３１の直前に戻る。

【００４４】ついで、ステップＳ３１〜Ｓ３４，Ｓ３６
を繰り返すと、今回はステップＳ３７でＦＬＡＧ１＝Ｏ
Ｎと判断されるので、ＦＬＡＧ２＝ＯＮとされる（ステ
ップＳ３９）。その後は、上記実施形態１のステップＳ
５〜Ｓ１２と同様のステップを実行する（ステップＳ４
２〜Ｓ４９）。

【００４５】再びステップＳ３１，Ｓ３２を経由してス
テップＳ３３に戻ると、今回はＦＬＡＧ２＝ＯＮである
ので、バッテリ１２の充電量（バッテリ容量）が所定値
１よりも小さいか否かが判断される（ステップＳ３
５）。

【００４６】ここで、バッテリ１２の充電量が所定値１
よりも大きいと判断された場合には（ステップＳ３５で
ＮＯ）、動作切換回路３１ｃから切断指令信号が発せら
れ、クラッチ１４が切断されたままで、かつエンジン１
０が停止されたまま（ステップＳ３６）、上記ステップ
Ｓ３７，Ｓ３９，Ｓ４２〜４９が実行される。

【００４７】一方、ステップＳ３５においてバッテリ１
２の充電量が所定値１よりも小さいと判断された場合に
は（ステップＳ３５でＹＥＳ）、動作切換回路３１ｃか
ら切断指令信号が発せられないので、クラッチ１４は接
続状態とされるとともに、エンジン１０が稼働され（ス
テップＳ４０）、ＦＬＡＧ２＝ＯＦＦに維持されたま
ま、ＦＬＡＧ１＝ＯＮとされる（ステップＳ４１）。

【００４８】そして、上記ステップＳ４２〜Ｓ４９が実
行され、上記ステップＳ３１の直前に戻り、ステップＳ
３２で電動機モードが入力されたと判断されたときは下
記電動機運転に入り、また終了モードが入力されたと判
断されたときは終了動作するが、それまでは、各ステッ
プＳ３１〜Ｓ４９を繰り返す。

【００４９】一方、上記ステップＳ３４においてバッテ
リ１２の充電量が所定値２よりも小さいと判断された場
合には（ステップＳ３４でＹＥＳ）、動作切換回路３１
ｃから切断指令信号が発せらないので、クラッチ１４は
接続状態とされるとともに、エンジン１０が稼働され
（ステップＳ４０）、ＦＬＡＧ２＝ＯＦＦに維持された
まま、ＦＬＡＧ１＝ＯＮとされる（ステップＳ４１）。
その後は、上記ステップＳ４２〜Ｓ４９を実行する。

【００５０】なお、最初のループでＦＬＡＧ１＝ＯＦＦ
と設定したのは、上記ステップＳ３４又はＳ３５でハイ
ブリッドモードから発電機モードに切り換わった場合、
最初のループであれば、最初のループで発電機モードが
入力された場合（後述）と同様に、まだエンジン１０が
停止されたままであり、油圧ポンプ１３が駆動されてお
らず、回路に油圧がたっていないことから、ステップＳ
４２〜Ｓ４７をバイパスさせて直接発電機兼電動機１１
で電動機動作を行わせるようにするためである。

【００５１】そして、ステップＳ３９でＦＬＡＧ１＝Ｏ
Ｎとしたのは、発電機モードでの次のループでは、発電
機兼電動機１１によって油圧ポンプ１３が駆動されてい
るので、回路に油圧がたっており、ステップＳ４２〜Ｓ
４７を経由させることができるからである。

【００５２】また、ステップＳ４１でＦＬＡＧ１＝ＯＮ
としたのは、ハイブリッドモードでは、最初のループに
おいても、エンジン１０によって油圧ポンプ１３が駆動
されているので、回路に油圧がたっており、ステップＳ
４２〜Ｓ４７を経由させることができるからである。た
だし、ステップＳ４１でＦＬＡＧ１＝ＯＦＦとしてもよ
く、その場合にはステップＳ３８でＦＬＡＧ１＝ＯＮと
される。

【００５３】（電動機運転）電源投入により、初期値と
してＦＬＡＧ１＝ＯＦＦ、ＦＬＡＧ２＝ＯＦＦが設定さ
れる（ステップＳ３０）。オペレータがモード切換スイ
ッチ３０ａを電動機モードに切換操作すると（ステップ
Ｓ３１）、電動機運転が開始されるが、このとき制御装
置３１の判断回路３１ｂは、まずメモリ３１ａの記憶内
容を参照し、ハイブリッドモードと電動機モードのいず
れが入力されたか、或いは、終了モードが入力されたか
を判断する（ステップＳ３２）。ここで、電動機モード
が入力されたと判断した場合には、制御装置３１の動作
切換回路３１ｃからの切断指令信号が発せられ、これに
よりクラッチ１４は切断状態とされるが、エンジン１０
は停止されたまま（ステップＳ３６）、最初のループ
（ステップＳ３７，Ｓ３８，Ｓ４９）が実行される。

【００５４】そして、ステップＳ３１に戻り、ステップ
Ｓ３２でハイブリッドモードが入力されたと判断された
ときは上記ハイブリッド運転に入り、また終了モードが
入力されたと判断されたときは終了動作するが、それま
では、各ステップＳ３１，Ｓ３２，Ｓ３６，Ｓ３７，Ｓ
３９〜Ｓ４９を繰り返す。

【００５５】以上のように、本実施形態２によれば、ク
ラッチ１４を切断中（エンジン１０停止、ＦＬＡＧ２＝
ＯＮ）では、モード切換回路３１ｈは、バッテリ１２の
充電量と所定値１との大小比較を行い、クラッチ１４の
接続中（エンジン１０稼働中、ＦＬＡＧ２＝ＯＦＦ）で
は、モード切換回路３１ｈは、バッテリ１２の充電量と
所定値２との大小比較を行う。これにより、バッテリ１
２の充電量の判断におけるヒステリシス機能が備わる。
そして、モード切換回路３１ｈの比較結果に応じて、動
作切換回路３１が動作し、バッテリ１２の充電量が小さ
い場合には、クラッチ１４を接続状態とし、大きい場合
にはクラッチ１４を切断状態とする。

【００５６】したがって、ハイブリッドモードでの運転
中に、例えばバッテリ１２が満充電状態の場合には、こ
のモード切換回路３１ｈにより強制的に電動機モードに
切り換えられ、動作切換回路３１ｃによりクラッチ１４
が切断されて、エンジン１０が停止され、油圧ポンプ１
３がバッテリ１２のみによって駆動されるように切り換
えられ、バッテリ１２の充電量が減少すると、再度ハイ
ブリッドモードに戻されることにより、エンジン１０の
出力変動を抑えて、その効率を低下させることがなくな
るので、油圧ショベルのシステム全体の高効率化が図ら
れる。

【００５７】（実施形態３）図５は本発明の実施形態３
に係るクローラ式油圧ショベルの駆動系及び制御系を示
すブロック図である。なお、同図中、実線は油圧系統、
破線は電気系統を示している。以下、主に上記実施形態
１，２と異なる要素について説明し、重複説明を極力な
くすものとする。

【００５８】ここでも、エンジン１０の出力軸に、上記
実施形態１と同様のクラッチ１４を介して各油圧アクチ
ュエータ（旋回及び左右走行用油圧モータ６，７、ブー
ム、アーム、バケット各シリンダ１８，２０，２２）を
駆動する油圧ポンプ１３の回転軸が接続されており、さ
らにこの油圧ポンプ１３の回転軸に発電機兼電動機１１
が接続されている。

【００５９】しかし、本実施形態３では、上記実施形態
１，２とは異なり、駆動用電動機の一例としての、旋回
駆動用の旋回電動機４０と、旋回電動機４０の回転を減
速する旋回減速機４１と、旋回電動機用制御装置４２と
を備えている。そして、バッテリ１２の蓄電エネルギに
より旋回電動機４０を駆動することで、この旋回電動機
４０の出力軸に接続された旋回減速機４１を介して上部
旋回体２（図１参照）を旋回動作させるようにしてい
る。

【００６０】この場合、上部旋回体２の旋回駆動に際し
て、一旦油圧エネルギに変換する必要がないため、介在
する機器が少なくなり、その分だけエネルギの損失も少
なくなる。また、旋回電動機用制御装置４１により、制
動時に旋回電動機４０を回生作動させることで、運動エ
ネルギを電力に変換してバッテリ１２に蓄積することが
できる。この回生作動により、一層の省エネルギを図る
ことができる。

【００６１】また、本実施形態３では、上記実施形態
１，２とは異なり、駆動用電動機の他の例としての、ブ
ーム駆動用のブーム電動機４５と、ブーム駆動用シリン
ダ１８にのみ圧油を供給するブーム用油圧ポンプ４６
と、ブーム電動機用制御装置４７とを備えている。そし
て、バッテリ１２の蓄電エネルギによりブーム電動機４
５を駆動することで、このブーム電動機４５の出力軸に
接続されたブーム油圧ポンプ４６を駆動し、ブーム駆動
用シリンダ１８を伸縮動作させるようにしている。

【００６２】この場合、ブーム駆動用シリンダ１８の伸
縮駆動に際して、一旦油圧エネルギに変換しているが、
その電動機がブーム専用であるため、回転方向、回転速
度を図示しないブーム用操作レバーの操作量、負荷に応
じて制御することで必要な動力だけをブーム電動機４５
から出力することができる。したがって、微操作時等に
余分なエネルギを発生させなくてもよくなり、その分だ
けエネルギの損失も少なくなる。

【００６３】また、ブーム下げ時あるいは制動時には、
ブーム用油圧ポンプ４６は油圧モータとして作動し、ブ
ーム電動機４５を回転させるので、ブーム電動機用制御
装置４７は、このときブーム電動機４５を発電機として
回生作動させることで、運動エネルギを電力に変換して
バッテリ１２に蓄積することができる。この回生作動に
より、一層の省エネルギ化を図ることができる。

【００６４】以上説明したように、本実施形態３では、
旋回電動機４０やブーム電動機４５を備え、これらに発
電機兼電動機１１からの電力又はバッテリ１２からの電
力を供給することで、より一層の省エネルギ化を図ると
ともに、油圧ショベルの駆動方法を多様化させることが
できる。

【００６５】なお、上記実施形態１〜３では、作動液と
して圧油を使用し、これに対応して液圧ポンプとして油
圧ポンプ１３を使用し、液圧アクチュエータとして油圧
アクチュエータを使用しているが、作動液としてその他
の液体、例えば水等を使用することもできる。

【００６６】また、上記実施形態１，２では、制御装置
３１の判断回路３１ｂにより、ハイブリッドモードか電
動機モードかの判断に加えて、終了動作を行うための終
了モードをも判断させているが、この終了動作は別途設
けたスイッチ等により行うようにしてもよい。また、上
記実施形態１，２では、比較回路３１ｆにより行う、エ
ンジン１０の出力と油圧ポンプ１３の必要動力との差分
の正負判断から、入出力制御回路３１ｇにより、発電機
兼電動機１１が発電機動作、或いは、電動機動作を行う
ように制御しているが、エンジン１０の出力が所定の設
定回転数から高速側にあるのか、或いは、低速側にある
のかを判断し、エンジン１０の速度が所定値に近づくよ
うに発電機兼電動機１１の制御を行うこととしてもよ
い。

【００６７】また、上記実施形態２では、バッテリ１２
の充電量のしきい値を２個として、ヒステリシスを設け
たが、ヒステリシスを特に必要としないときは、しきい
値は１つであってもよい。

【００６８】また、上記実施形態１〜３では、エンジン
１０、クラッチ１４、油圧ポンプ１３及び発電機兼電動
機１１の順に連結してタンデム配置としているが、必ず
しもこのような配置とする必要はなく、例えば図６に示
すように、油圧ポンプを複数化してエンジン１０、クラ
ッチ１４、発電機兼電動機１１及び油圧ポンプ１３，１
３の順に連結してタンデム配置したり、図７に示すよう
に、パワーディバイダ５０を用いて発電機兼電動機１１
及び油圧ポンプ１３，１３をパラレル配置としてもよ
い。また、クラッチ１４を複数化すれば、さらに多様な
配置とすることができる。

【００６９】また、上記実施形態１〜３では、原動機と
してエンジン１０を用いたが、この代わりにガスタービ
ンを用いてもよい。また、蓄電装置としてバッテリ１２
の代わりに電気２重層コンデンサ（商品名ウルトラキャ
パシタ）を用いたり、或いは、これとバッテリとを併用
することとしてもよい。

【００７０】また、上記実施形態１〜３では、クラッチ
１４を切断する際にのみ動力等を加えるネガティブ作動
型のワンウエイクラッチとしているが、場合によって
は、この逆にクラッチ１４を接続する際にのみ動力を加
えるようにしてもよく、さらにはクラッチ１４に常時、
動力を加えておくこととしてもよい。

【００７１】また、上記実施形態３では、旋回動作を電
動機駆動としているが、他のアクチュエータを電動機駆
動としてもよい。また、ブーム動作を電動／油圧駆動と
しているが、他のアクチュエータを電動／油圧駆動とし
てもよい。

【００７２】また、上記実施形態１〜３では、作業機械
の一例として油圧ショベルを説明したが、本発明の適用
範囲はこれに限られず、本発明をクローラクレーン、ホ
イールクレーン等の他の作業機械にも同様に適用できる
のはもちろんである。

【００７３】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、クラッチ
で原動機と液圧ポンプとの接続状態を維持することで、
原動機と発電機兼電動機とのハイブリッド駆動での省エ
ネルギ運転であるハイブリッド運転ができるようになる
とともに、クラッチで上記接続状態を切断することで発
電機兼電動機によって液圧ポンプを駆動する運転である
発電機運転ができるようになる。この発電機運転では、
原動機からの排気ガスが全くでなくなるので、トンネル
内の工事や地下鉄工事等、閉鎖空間での使用に便宜であ
る。また、低騒音であるので、住宅地や病院付近等での
使用に便宜でもある。

【００７４】さらに、自走式であるので、作業機械をト
ンネルから外に出したり、住宅地から離せば、それ自身
の原動機で発電機兼電動機を駆動して蓄電装置に充電で
き、この充電が終了すれば、発電機兼電動機による運転
ができるようになる。

【００７５】請求項２記載の発明によれば、例原動機の
出力変動を抑えて、その効率を低下させることがなくな
るので、作業機械のシステム全体の高効率化を図ること
ができる。

【００７６】請求項３記載の発明によれば、ハイブリッ
ド運転の場合には、クラッチの接続に動力を必要とせ
ず、さらなる省エネルギ化を図ることができる。

【００７７】請求項４記載の発明によれば、ハイブリッ
ド運転の場合には、クラッチが接続状態となり、原動機
を停止して発電機兼電動機で駆動する際にはその駆動力
が原動機に伝達されないので、クラッチの接続や切断の
操作にも動力も切換操作も不要となる。したがって、さ
らなる省エネルギ化を図ることができるとともに、操作
をより簡単化することができる。

【００７８】請求項５記載の発明によれば、例えば旋回
動作を直接電動機で駆動したり、ブームシリンダを電動
機駆動の油圧ポンプで駆動することで、より一層の省エ
ネルギ化を図ることができるとともに、作業機械の駆動
方法を多様化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】クローラ式油圧ショベルの全体構成を示す図で
ある。

【図２】本発明の実施形態１，２に係るクローラ式油圧
ショベルの駆動系及び制御系を示すブロック図である。

【図３】実施形態１の動作のフローチャートである。

【図４】実施形態２の動作のフローチャートである。

【図５】本発明の実施形態３に係るクローラ式油圧ショ
ベルの駆動系及び制御系を示すブロック図である。

【図６】本発明の変形例を示すブロック図である。

【図７】本発明の変形例を示すブロック図である。

【符号の説明】

３掘削用アタッチメント（作業用アタッチメント）６旋回モータ７走行モータ１０エンジン（原動機）１１発電機兼電動機１２バッテリ（蓄電装置）１３油圧ポンプ（液圧ポンプ）１４クラッチ１８ブーム駆動用油圧シリンダ（液圧アクチュエー
タ）２０アーム駆動用油圧シリンダ（液圧アクチュエー
タ）２２バケット駆動用油圧シリンダ（液圧アクチュエー
タ）３０ａモード切換スイッチ３０ｂ圧力センサ３０ｃ回転計３１制御装置３１ａメモリ３１ｂ判断回路３１ｃ動作切換回路３１ｄ出力計算回路３１ｅ必要動力計算回路３１ｆ比較回路３１ｇ入出力制御回路３１ｈモード切換回路３２コントロールバルブ４０旋回電動機（駆動用電動機）４１旋回減速機４２旋回電動機用制御装置４５ブーム電動機（駆動用電動機）４６ブーム用油圧ポンプ４７ブーム電動機用制御装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2D003 AA00 AB06 BA05 BB01 CA02 CA10 DA02 DA04 DB02 DB03 DC06 3F205 AA05 KA10 5H115 PA11 PA13 PG10 PI16 PI22 PO02 PU01 PU25 RE14 SE04 SE06 TI01 TU16 TZ10

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】下部走行体上に上部旋回体が搭載され、
この上部旋回体に作業用アタッチメントが設けられてな
る作業機械において、原動機と、原動機の出力軸にクラッチを介して接続された回転軸を
有し、下部走行体、上部旋回体及び作業用アタッチメン
トの少なくともいずれかを動かすための液圧アクチュエ
ータを駆動する液圧ポンプと、液圧ポンプの回転軸に接続され、発電機動作又は電動機
動作を行う発電機兼電動機と、発電機兼電動機に電気的に接続された蓄電装置と、制御装置とを備え、制御装置は、発電機兼電動機が原動機の出力と液圧ポン
プの必要動力との関係に応じて発電機動作と電動機動作
のうちのいずれかの動作を行うハイブリッドモードと、
発電機兼電動機が電動機動作のみを行う電動機モードと
を有し、モード切換操作により、ハイブリッドモードに
切り換えられた場合には、クラッチを接続状態とすると
ともに、上記出力が上記必要動力よりも大きいときに
は、発電機兼電動機を発電機動作させて、この発電機兼
電動機で発電された電力を蓄電装置に蓄えさせ、上記出
力が上記必要動力よりも小さいときには、蓄電装置に蓄
えられた電力を発電機兼電動機に供給して、この発電機
兼電動機を電動機動作させ、かつ、電動機モードに切り
換えられた場合には、クラッチを切断状態とするととも
に、蓄電装置に蓄えられた電力を発電機兼電動機に供給
して、発電機兼電動機を電動機動作させるように制御す
ることを特徴とする作業機械。
【請求項２】制御装置は、ハイブリッドモードにおい
て、蓄電装置の蓄電量が設定値を超えたときに、電動機
モードに切り換えるように制御することを特徴とする請
求項１記載の作業機械。
【請求項３】クラッチは、外力が作用するまでは接続
状態とされ、外力が作用したときに切断状態とされるネ
ガティブ作動型のクラッチであることを特徴とする請求
項１又は２記載の作業機械。
【請求項４】クラッチは、一方向にのみ回転を伝える
ワンウエイクラッチであることを特徴とする請求項１〜
３のいずれかに記載の作業機械。
【請求項５】下部走行体、上部旋回体及び作業用アタ
ッチメントの少なくともいずれかを動かすための駆動用
電動機を備え、この駆動用電動機に発電機兼電動機から
の電力又は上記蓄電装置からの電力を供給するように構
成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載
の作業機械。