JP2024043388A - ショベル - Google Patents

Abstract

【課題】安全性を向上させる。【解決手段】ショベルは、走行体と、走行体に回転自在に設けられる上部旋回体と、ブーム、アーム、及びバケットを有し、上部旋回体に取り付けられたアタッチメントと、ブーム、アーム、及びバケットのうちいずれか一つ以上を動作させるシリンダと、シリンダのボトム側の油室と、シリンダのロッド側の油室と、の間を接続する、絞り機構によって開口面積を調整可能な再生弁と、を備える。【選択図】図６

Description

本発明は、ショベルに関する。

従来、走行体（クローラ、ロワーとも称する）の上に回動可能な上部旋回体を有すると共に、上部旋回体に掘削などの動作を行うためのアタッチメントを有する、ショベルが知られている。

操作者がショベルで作業内容に応じてアタッチメントを制御する際に、アタッチメントの動作に応じて、ショベルに対して転倒させるなどのモーメントが生じる。例えば、ショベルを転倒させるモーメントが生じた場合、当該モーメントが、ショベルの姿勢を安定させる安定モーメントを超えない限り、ショベルの転倒は抑制される。

従来は、アタッチメントを動作させるシリンダのロッド側の圧力、及びシリンダのボトム側の圧力に基づいた、転倒させるため等のモーメントが安定モーメントを超える基準を示した最大シリンダ圧力を算出し、最大シリンダ圧力に基づいて、シリンダのロッド側、又はボトム側の油圧回路に接続されたリリーフ弁を制御していた。これにより、ショベルに転倒等が生じることを抑制していた。

国際公開第２０１８／１８０５５５号

従来から用いられているリリーフ弁の制御では、油圧回路の油圧の調整を容易に実現できるが、油をタンクに出力するため、油圧回路を流れる油の流量の適切な調整は難しかった。また、特許文献１には、リリーフ弁の制御に加えて、シリンダのボトム側の油室とロッド側の油室との間に外部再生弁を設けて、振動を抑制する技術が記載されている。しかしながら、特許文献１に記載された外部再生弁では流路のオン、オフ制御に留まっているので、油圧回路の油圧及び流量の適切な調整は難しい。

上述に鑑み、シリンダのボトム側の油室とロッド側の油室との間に設けられた外部再生弁の絞りを制御することで、油圧回路を流れる油の流量及び油圧の適切な調整を実現することで、安全性を向上させる。

本発明の一態様に係るショベルは、走行体と、走行体に回転自在に設けられる上部旋回体と、ブーム、アーム、及びバケットを有し、上部旋回体に取り付けられたアタッチメントと、ブーム、アーム、及びバケットのうちいずれか一つ以上を動作させるシリンダと、シリンダのボトム側の油室と、シリンダのロッド側の油室と、の間を接続する、絞り機構によって開口面積を調整可能な再生弁と、を備える。

本発明の一態様によれば、シリンダを動作させるために流れる油の流量及び油圧の適切な調整を可能にすることで、安全性を向上させる。

図１は、第１の実施形態に係るショベルの外観を示す斜視図である。 図２は、第１の実施形態に係るショベルの掘削作業時に生じる後方浮き上がりを例示した図である。 図３は、第１の実施形態に係るブームシリンダによる、車体を前方に傾けようとする力の抑制制御を示した図である。 図４は、第１の実施形態に係るショベルの電気系統や油圧系統などのブロック図である。 図５は、第１の実施形態に係るショベルに生じる後方浮き上がりの力関係を例示した図である。 図６は、第１の実施形態に係るコントロールバルブと、ブームシリンダと、の間の構成を例示した図である。 図７は、第２の実施形態に係るコントロールバルブと、ブームシリンダと、の間の構成を例示した図である。 図８は、第３の実施形態に係るコントロールバルブと、ブームシリンダと、の間の構成を例示した図である。 図９は、第４の実施形態に係るコントロールバルブと、ブームシリンダと、の間の構成を例示した図である。 図１０は、実際のショベルによって、あるオペレータが空中動作を繰り返し行ったときの、動作波形図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、各図面において同一の又は対応する構成には同一の符号を付し、説明を省略することがある。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係るショベル５００の外観を示す斜視図である。図１に示されるように、ショベル５００は、下部走行体（クローラ）５０２と、下部走行体５０２の上部に旋回機構５０３を介して回動自在に搭載された上部旋回体５０４と、を備えている。

上部旋回体５０４には、アタッチメント５１０が取り付けられる。アタッチメント５１０は、ブーム５１２と、ブーム５１２の先端にリンク接続されたアーム５１４と、アーム５１４の先端にリンク接続されたバケット５１６と、を備える。ブーム５１２、アーム５１４、及びバケット５１６は、それぞれブームシリンダ５２０、アームシリンダ５２２、およびバケットシリンダ５２４によって油圧駆動される。また、上部旋回体５０４には、オペレータを収容するための運転室５０８や、油圧を発生するためのエンジン５０６といった動力源が設けられている。

ショベル５００のアタッチメント５１０、又は車体には、センサ７２０，７２２，７２４，７２６が設けられる。これらのセンサは、３軸加速度センサ、３軸ジャイロセンサを含む慣性計測装置（ＩＭＵ：Inertial Measurement Unit）であってもよい。これらのセンサの出力にもとづいて、バケット５１６の位置や、アタッチメント５１０の姿勢等を検出できる。

続いて、ショベル５００の後方浮き上がり及びその抑制について説明する。ショベル５００による浮き上がりの抑制は、突っ張っているアタッチメント５１０を緩やかにして、アタッチメント５１０の反力が、車体に伝達することを抑制すればよい。

図２は、本実施形態に係るショベル５００の掘削作業時に生じる後方浮き上がりを例示した図である。図２に示される例では、ショベル５００が、地面Ｓの掘削作業を行っている間、バケット５１６が斜面Ｓ１を掘り込むように力Ｆ２が発生し、ブーム５１２がバケット５１６を斜面Ｓ１に抑え付けるように力Ｆ３が発生している。ブームシリンダ５２０は、ショベル５００の下部走行体５０２、旋回機構５０３、及び上部旋回体５０４に反力Ｆ１を与える。反力Ｆ１による車体を傾けようとする力（トルク）が、車体の重量に基づいた車体を地面に抑え付けようとする力（トルク）を上回ると、車体が浮き上がる可能性がある。

図２に示される状況において、バケット５１６が地面又は対象物に対して接触等しているために動かない状態の場合、ブーム５１２に力が作用しても、ブーム５１２が動かないので、ブームシリンダ５２０のロッドの変位が抑制される。この場合、ブーム５１２を動かそうとする力が作用すると、ブームシリンダ５２０のロッド側の油室（以下、ロッド室と称する）の圧力が大きくなるので、ブームシリンダ５２０を持ち上げる力Ｆ１が大きくなり、車体を前方に傾けようとする力（トルク）Ｆ３が大きくなる。このような状況で車体を前方に傾けようとする力（トルク）Ｆ３を抑制するために、本実施形態に係るショベル５００は後述する構成を備える。

また、車体を前方に傾けようとする力（トルク）Ｆ３が大きくなる状況としては、バケット５１６が車体（下部走行体５０２）よりも下方に位置する深掘り、又は、図２に示されるような、前方斜面の整地作業で起こる可能性がある。さらには、バケット５１６が地面又は対象物に接触していなくとも（換言すれば、空中動作中であっても）、バケット５１６から土砂を排出する場合に、車体を傾けようとする力（トルク）又は車体を振動させる力が大きくなる。

また、本実施形態は、ブーム５１２を操作する場合について説明するが、ブーム５１２を操作する場合に制限するものではなく、アーム５１４、又はバケット５１６を操作した場合も同様の状況が生じるため、車体を前方に傾けようとする力を抑制するための制御が必要なる。当該制御は、以下に示す、ブーム５１２の操作を行う場合と同様として説明を省略する。

まず、車体を前方に傾けようとする力の抑制制御について説明する。本実施形態では、アタッチメントの動作に起因する力を、アタッチメントに設けられたシリンダをクッションとして利用することにより吸収する。

図３（ａ）、（ｂ）は、ブームシリンダ５２０による、車体を前方に傾けようとする力の抑制制御を示した図である。本実施形態においては、ブームシリンダ５２０のロッド側の油室（以下、ロッド室と称する）５２０Ａに接続される流路と、ボトム側の油室（以下、ボトム室と称する）５２０Ｂに接続される流路と、の間に、外部再生弁７６０が設けられている。

図３（ａ）は、ブームシリンダ５２０のクッション機能が発揮されない状態を示している。つまり、図３（ａ）に示されるブームシリンダ５２０を制御するための油圧回路では、外部再生弁７６０で流路が切り離されているため、ロッド室５２０Ａと、ボトム室５２０Ｂと、の間が実質的に切り離されている。このため、ブームシリンダ５２０におけるピストンは移動しない状態である。このため、車体を安定させる保持力Ｆ４の反対方向に、ブームシリンダ５２０を持ち上げる力Ｆ１が生じる。さらには、車体を前方に傾けようとする力（トルク）Ｆ３も生じる。

図３（ｂ）は、ブームシリンダ５２０のクッション機能が発揮されている状態を示している。図３（ｂ）に示される例では、外部再生弁７６０の絞り機構を介して流路が繋がっている。したがって、ブームシリンダ５２０を持ち上げる力が発生した場合に、ロッド室５２０Ａと、ボトム室５２０Ｂと、の間で油が流れることで圧力が逃げるように、油圧系統の制御がなされる。これにより、ブームシリンダ５２０がクッションとして機能するので、慣性力又は振動などを吸収し、車体への伝達を抑制できる。

さらに、本実施形態に係る外部再生弁７６０においては、絞り機構によって開口面積を調整可能なため、ロッド室５２０Ａと、ボトム室５２０Ｂと、の間で、適切な圧力調整を可能としている。

従来の技術においては、ロッド室とボトム室との各々にリリーフ弁を設けて、圧力制御を行っていた。当該圧力制御においては、油をタンクに落とすので、当該油を再び油圧回路に戻すためには、エネルギーを要する。つまり、本実施形態においては、圧力制御を行う際に、油をタンクに落とす必要がないので、エネルギー効率の向上を実現できる。さらには、絞り機構によって開口面積を調整可能なため、ブームシリンダ５２０を制御するための油圧回路の流量及び油圧の適切な調整を実現できる。これにより、ショベル５００の安全性を向上させることができる。

図４は、ショベル５００の電気系統や油圧系統などのブロック図である。なお、図４では、機械的に動力を伝達する系統を二重線で、油圧系統を太い実線で、操縦系統を破線で、電気系統を細い実線でそれぞれ示している。

エンジン５０６の回転は、減速機５３２を介してメインポンプ５３４に伝達される。エンジン５０６および減速機５３２に代えて、電気的な動力源（電動機）を用いてもよいし、エンジンと電動機のハイブリッドを用いてもよい。減速機５３２の出力軸にはメインポンプ５３４およびパイロットポンプ５３６が接続されており、メインポンプ５３４には高圧油圧ライン５４２を介してコントロールバルブ５４６が接続されている。

コントロールバルブ５４６は、ショベル５００における油圧系の制御を行う装置である。コントロールバルブ５４６には、図１に示した下部走行体５０２を駆動するための油圧モータ５５０Ａ、５５０Ｂの他、ブームシリンダ５２０、アームシリンダ５２２、及びバケットシリンダ５２４が高圧油圧ラインを介して接続されており、コントロールバルブ５４６は、これらに供給する油圧を運転者の操作入力に応じて制御する。

パイロットポンプ５３６には、パイロットライン５５２を介して操作装置５５４が接続されている。操作装置５５４は、旋回用電動機５６０、下部走行体５０２、ブーム５１２、アーム５１４、及びバケット５１６を操作するためのレバーやペダルである。操作者は、操作装置５５４を利用することで、旋回用電動機５６０、下部走行体５０２、ブーム５１２、アーム５１４、及びバケット５１６を操作できる。

具体的には、アタッチメント５１０の各軸（ブーム５１２、アーム５１４、及びバケット５１６の各々）は、運転席に設けられた操作装置５５４の操作に連動して動作する。具体的には、操作装置５５４のレバーに対する操作に応じて、ブームシリンダ５２０、アームシリンダ５２２、又はバケットシリンダ５２４が、伸び動作又は縮み動作をすることで、ブーム５１２、アーム５１４、又はバケット５１６が動作する。

操作装置（操作部の一例）５５４は、油圧ライン５５６を介してコントロールバルブ５４６に接続される。操作装置５５４は、パイロットライン５５２を通じて供給される油圧（１次側の油圧）をオペレータの操作量に応じた油圧（２次側の油圧）に変換して出力する。操作装置５５４から出力される２次側の油圧は、油圧ライン５５６を通じてコントロールバルブ５４６に供給される。

操作センサ７３２は、各軸に対する操作入力を監視し、操作情報を取得する。たとえば操作センサ７３２は、パイロット圧にもとづいて、操作情報を取得してもよいし、電気レバーからの情報を、電気的情報に変換してもよい。圧力センサ７３４は、高圧油圧ライン５４２の圧力を測定する。

圧力センサ７３６Ａ～７３６Ｆは、シリンダ５２０、５２２、５２４の各々について、ボトム側、及びロッド側の各々の油室に接続される流路の油圧を測定する。これら操作センサ７３２、圧力センサ７３４、及び圧力センサ７３６Ａ～７３６Ｆからの信号は、コントローラ７４０に入力される。

本実施形態に係るブームシリンダ５２０においては、ロッド室５２０Ａに接続された流路と、ボトム室５２０Ｂに接続された流路と、の間を接続するように外部再生弁７６０が設けられている。本実施形態に係る外部再生弁７６０は、コントロールバルブ５４６の外部に設けられた再生弁の一例である。コントローラ７４０が、外部再生弁７６０の制御を行うことで、ブームシリンダ５２０を動作させるために流れる油の圧力制御を行う。

本実施形態に係るショベル５００は、車体を傾ける力が大きい状態、アタッチメント５１０の（例えば空中）動作によって振動が発生しそうな状態、又は慣性モーメントが変化しそうな状態の場合に、コントローラ７４０（後述の弁制御部５８０）が、外部再生弁７６０を制御する。例えば、コントローラ７４０（後述の弁制御部５８０）は、外部再生弁７６０の絞り機構を、現在の状況に対応する開口面積にする制御を行うことで、上述した状態を抑制するように、ブームシリンダ５２０のロッド室５２０Ａとボトム室５２０Ｂとの間で油が流れることを可能にする。当該制御によって、車体の傾き、振動の抑制等を行うことができるので、安全性を向上させることができる。

以下、外部再生弁７６０を用いた制御について具体的に説明する。弁制御部５８０は、車体を傾ける力が大きい状態、又はアタッチメント５１０の（例えば空中）動作によって振動が発生しそうな状態を抑制するために、ブームシリンダ５２０、アームシリンダ５２２、及びバケットシリンダ５２４の少なくとも一つに設けられた外部再生弁７６０を制御する。これにより、シリンダのクッション機能を向上させて、上述した動作が抑制されるようなアタッチメント５１０の動作が行われる。次に、ショベル５００の車体を傾ける力が大きい状態の一例として、ショベル５００の後方浮き上がりが生じる力関係について説明する。本実施形態では、後方浮き上がりが生じる力を抑制するための外部再生弁７６０の制御について説明するが、空中動作で振動が発生しそうな状態など、他の状態についても同様の手法で外部再生弁７６０の制御を行えばよいものとして説明を省略する。

図５は、本実施形態に係るショベルに生じる後方浮き上がりの力関係を例示した図である。距離Ｄ２は、ショベル５００の車体重心Ｐ３と、下部走行体５０２の前方の転倒支点Ｐ１の間までの距離を示している。転倒支点Ｐ１とは、下部走行体５０２の接地領域Ｓ２のうち、アタッチメント５１０が延びる方向（上部旋回体５０４の向き）における端部を示している。

距離Ｄ４は、ブームシリンダ５２０の延長線Ｌ２と、転倒支点Ｐ１と、の間の距離を示している。力Ｆ５はブームシリンダ５２０が上部旋回体５０４に及ぼす力である。さらに、ショベル５００の車体重量Ｍ、重力加速度ｇとする。

図５に示される状況において、転倒支点Ｐ１を基準にショベル５００の車体を前方に傾けようとするトルクτ１は、以下の式（１）で示される。

τ１＝Ｄ４×Ｆ５……（１）

一方、重力が転倒支点Ｐ１を基準に、ショベル５００の車体を地面に抑え付けようとするトルクτ２は、以下の式（２）で示される。

τ２＝Ｄ２×Ｍｇ……（２）

そして、ショベル５００の車体の後方が浮き上がらずに安定する条件は、以下の式（３）で示される。

τ１＜τ２……（３）

式（３）に式（１）、（２）を代入すると、ショベル５００の安定条件として式（４）が導出される。

Ｄ４・Ｆ５＜Ｄ２・Ｍｇ……（４）

そこで、本実施形態に係る弁制御部５８０は、式（４）で示された安定条件を満たすように、外部再生弁７６０の制御を行う。

図６は、本実施形態に係るコントロールバルブ５４６と、ブームシリンダ５２０と、の間の構成を例示した図である。図６に示されるように、ロッド室５２０Ａとコントロールバルブ５４６との間の流路と、ボトム室５２０Ｂとコントロールバルブ５４６との間の流路と、を接続するように、外部再生弁７６０が設けられている。さらに、外部再生弁７６０よりコントロールバルブ５４６側にポペット弁７６２が設けられている。

ポペット弁７６２は、ボトム室５２０Ｂとコントロールバルブ５４６とを接続する油圧回路に設けられた弁であって、当該油圧回路の流路を開閉可能とする弁である。ポペット弁７６２は、コントローラ７４０によって、開閉制御が行われる。当該開閉制御は、従来と同様として説明を省略する。

また、ロッド室５２０Ａに接続された流路には、当該流路を流れる油の圧力（以下、ロッド圧と称する）Ｐｒを検出する圧力センサ７３６Ｅが設けられている。さらには、ボトム室５２０Ｂに接続された流路には、当該流路を流れる油の圧力（以下、ボトム圧と称する）Ｐｂを検出する圧力センサ７３６Ｆが設けられている。さらには、ボトム室５２０Ｂに接続された流路には、当該流路を流れる油の流量Ｑを検出する流量計７３７が設けられている。なお、本実施形態では、流量計７３７を設ける位置を制限するものではない。本実施形態では、ボトム圧を制御対象とするので、ボトム室５２０Ｂに接続された流路上に流量計７３７を設けた例について説明するが、制御対象となる油の圧力に関連する流路（例えば、ロッド室５２０Ａに接続された流路上）に設けられれば良い。

本実施形態においては、外部再生弁７６０と、パイロットポンプ５３６と、の間に電磁比例弁７６１が設けられている。弁制御部５８０が電磁比例弁７６１の開閉度合いの制御を行う。当該開閉度合いを制御することで、パイロットポンプ５３６からパイロットライン５５３を通じて供給される油圧が調整される。そして調整された油圧が、外部再生弁７６０に伝達される。外部再生弁７６０は、絞り機構を有しているので、当該油圧に応じて開口面積の調整が行われる。

図６に示されるように、外部再生弁７６０は、ポペット弁７６２と比べて、ブームシリンダ５２０側に設けられている。つまり、外部再生弁７６０は、油圧回路の流路を開閉可能なポペット弁７６２と比べて、ブームシリンダ５２０側に設けられているので、ブームシリンダ５２０とコントロールバルブ５４６との間の油圧回路の開閉状態にかかわらず、ロッド室５２０Ａとボトム室５２０Ｂとの間を連通させるか否かを制御できる。本実施形態では、外部再生弁７６０を上述した位置に設けることで、ショベル５００の油圧駆動系の状態にかかわらず（例えば、ポペット弁７６２による流路の開閉状態にかかわらず）、圧力制御を実現できるので、安全性を向上させることができる。

つまり、外部再生弁７６０は、ポペット弁７６２又は（図示しない）ＨＢＣＶ（ホースバーストチェックバルブ）などの油圧回路の流路を開閉可能な他の弁と比べて、ブームシリンダ５２０側に設けられる必要がある。換言すれば、外部再生弁７６０は、ブームシリンダ５２０との間に、油圧回路の流路を開閉可能な他の弁が設けられなければ、コントロールバルブ５４６内に設けてもよい。

本実施形態に係る弁制御部５８０は、取得部５８１と、力算出部５８２と、距離算出部５８３と、面積算出部５８４と出力部５８５と、を備えている。

本実施形態に係る弁制御部５８０は、ボトム室５２０Ｂ側の油圧回路を流れる油の圧力（以下、ボトム圧と称する）と、ロッド室５２０Ａ側の油圧回路を流れる油の圧力（以下ロッド圧と称する）と、ボトム室５２０Ｂ側の油圧回路の流れる油の流量Ｑと、に基づいて、外部再生弁７６０の絞り機構による開口面積を調整するように、外部再生弁７６０の制御を行う。

取得部５８１は、ショベル５００に設けられた各種センサからの情報を取得する。例えば、取得部５８１は、圧力センサ７３６Ｅにより検出されたロッド圧Ｐｒと、圧力センサ７３６Ｆにより検出されたボトム圧Ｐｂと、流量計７３７により検出された流量Ｑと、を取得する。

力算出部５８２は、ロッド圧Ｐｒ、及びボトム圧Ｐｂに基づいて、ブームシリンダ５２０が上部旋回体５０４に及ぼす力Ｆ５を算出する。力Ｆ５は、関数ｆ（Ｐｒ，Ｐｂ）に基づいて算出される。本実施形態では、力算出部５８２が、以下に示す式（５）を用いて算出する。なお、式（５）では、ロッド側の受圧面積Ａｒ、ボトム側の受圧面積Ａｂとする。なお、本実施形態では、力Ｆ５の算出手法の一例を示したもので、他の算出手法を用いてもよい。

Ｆ５＝Ａｒ・Ｐｒ－Ａｂ・Ｐｂ……（５）

距離算出部５８３は、取得部５８１から取得した情報に基づいて、距離Ｄ２、及び距離Ｄ４を算出する。さらには、距離算出部５８３は、距離の比率Ｄ２／Ｄ４を算出する。

アタッチメント５１０を含まない車体重心Ｐ３の位置は、上部旋回体５０４の旋回角度θにかかわらず一定であるが、転倒支点Ｐ１の位置は、旋回角度θによって変化する。本実施形態に係る距離算出部５８３は、取得部５８１が取得した上部旋回体５０４の旋回角度θに基づいて距離Ｄ２を算出してもよいし、定数である距離Ｄ２を取得してもよい。

距離算出部５８３は、転倒支点Ｐ１の位置と、ブームシリンダ５２０の角度（例えば、ブームシリンダ５２０と鉛直軸５４との間の角度η１）と、に基づいて距離Ｄ４を算出する。角度η１は、ブームシリンダ５２０の伸縮長且つショベル５００の寸法、及びショベル５００の車体の傾き等から算出してもよい。さらには、距離算出部５８３は、図１に示されるセンサ７２４の検出結果（例えばブーム５１２の傾き角）に基づいて、取得部５８１から角度η１を取得してもよい。

面積算出部５８４は、力算出部５８２により算出された力Ｆ５が、式（４）で示される安定条件を満たしているか否かに応じて、外部再生弁７６０の絞り機構を制御するか否かを判定する。具体的には式（４）から、安定条件として以下に示される式（６）を導出できる。

Ｆ５≦Ｄ２／Ｄ４×Ｍｇ……（６）

つまり、本実施形態では、面積算出部５８４が、式（６）を満たさないと判定した場合に、式（６）の条件を満足させるよう、力Ｆ５を低くさせるための制御が必要とみなす。本実施形態では、式（６）を満たす基準となる力Ｆ５の最大許容値Ｆｍａｘと定義する。

そこで、面積算出部５８４は、力Ｆ５が、最大許容値Ｆｍａｘ＝Ｄ２／Ｄ４×Ｍｇ以下になるように、外部再生弁７６０の絞り機構の開口部の開口面積Ａを算出する。次に、算出手法の一例について説明する。

まず、本実施形態では、ボトム圧Ｐｂを制御対象とする。ボトム圧Ｐｂは、力Ｆ５及びロッド圧Ｐｒの関数としてＰｂ＝ｇ（Ｆ５，Ｐｒ）で表すこともできる。

本実施形態では、ボトム圧Ｐｂが取り得る最大値（最大圧力）Ｐｂ＿ｍａｘを、下記の式（７）から計算することができる。

Ｐｂ＿ｍａｘ＝ｇ（Ｆｍａｘ，Ｐｒ）……（８）

ところで、流量Ｑは、以下の式（９）が成り立っている。なお、式（９）では、係数Ｃ、外部再生弁７６０の絞り機構の開口面積Ａ、油の密度ρとする。係数Ｃは実施態様に応じて定められる値とする。

本実施形態に係るコントローラ７４０は、ボトム圧Ｐｂが最大値（基準圧力の一例）Ｐｂ＿ｍａｘ以下になるように、外部再生弁７６０の開口面積を調整する。このため、ボトム圧Ｐｂに、制御の目標値であるボトム圧の最大値（基準圧力の一例）Ｐｂ＿ｍａｘを式（９）に代入した式（１０）を以下に示す。

そして、面積算出部５８４は、式（１０）を満たす開口面積Ａを算出する。さらに、面積算出部５８４は、流量Ｑの最大値Ｑｍａｘが定められている。このため、面積算出部５８４は、流量Ｑが、最大値Ｑｍａｘを超えないように、開口面積Ａを調整してもよい。

そして、出力部５８５は、面積算出部５８４により算出された開口面積Ａになるように、電磁比例弁７６１を開かせる電流値を算出し、当該算出された電流値に基づいた電流を電磁比例弁７６１に出力する。

本実施形態においては、弁制御部５８０が外部再生弁７６０の絞り機構の開口面積を調整することで、ブームシリンダ５２０が上部旋回体５０４に及ぼす力Ｆ５を低減できるので、ショベル５００の傾き又は振動等を抑制できる。したがって、ショベル５００の安定性の向上を実現できる。

（第２の実施形態）
上述した実施形態においては、流量計７３７により検出された流量Ｑを用いて、外部再生弁７６０を制御する例について説明した。しかしながら、上述した実施形態においては、流量Ｑを検出する手法を、流量計７３７を用いた手法に制限するものではない。そこで、第２の実施形態においては、ストロークセンサ７３８を用いた例について説明する。

図７は、本実施形態に係るコントロールバルブ５４６と、ブームシリンダ５２０と、の間の構成を例示した図である。図７に示される例では、上述した実施形態と比べて、流量計７３７の代わりに、ストロークセンサ７３８が設けられている。

また、コントローラ７４０においては、弁制御部５８０の代わりに、弁制御部５８０Ａが設けられている。

ストロークセンサ７３８は、ブームシリンダ５２０のストローク量、換言すれば、ブームシリンダ５２０の可動範囲で移動可能なロッドの位置を検出する。ストロークセンサ７３８は、検出結果を示したストローク情報をコントローラ７４０に出力する。コントローラ７４０は、弁制御部５８０Ａを備える。

弁制御部５８０Ａは、取得部５８１Ａと、力算出部５８２と、距離算出部５８３と、流量算出部５８６Ａと、面積算出部５８４と、出力部５８５と、を備えている。本実施形態においては、取得部５８１の代わりに、取得部５８１Ａが設けられると共に、流量算出部５８６Ａが追加された点で、第１の実施形態と異なる。

取得部５８１Ａは、上述した実施形態と同様に、各種センサからの情報を取得する。本実施形態に係る取得部５８１Ａは、さらに、ストロークセンサ７３８から入力されたストローク情報に基づいて、ブームシリンダ５２０のロッドの位置を取得する。

流量算出部５８６Ａは、ブームシリンダ５２０のロッドの位置の変化に基づいて、流量Ｑを算出する。例えば、流量算出部５８６Ａは、前回入力されたストローク情報と、今回入力されたストローク情報と、に基づいて、単位時間当たりのロッドの位置の変化量を取得できる。また、流量算出部５８６Ａは、ブームシリンダ５２０の断面積を予め保持している。したがって、流量算出部５８６Ａは、ブームシリンダ５２０の断面積と、ロッドの位置の変化量と、から、ボトム室５２０Ｂ側の油圧回路を流れる流量Ｑを算出する。

以降の処理については、上述した実施形態と同様として説明を省略する。本実施形態においては、上述した構成を備えることで、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第３の実施形態）
第２の実施形態においては、ストロークセンサ７３８を用いて算出された流量Ｑを用いて、外部再生弁７６０を制御する例について説明した。しかしながら、上述した実施形態においては、流量Ｑを検出、又は算出する手法を、流量計７３７又はストロークセンサ７３８を用いた手法に制限するものではない。そこで、第３の実施形態においては、角度センサ７３９を用いた例について説明する。

図８は、本実施形態に係るコントロールバルブ５４６と、ブームシリンダ５２０と、の間の構成を例示した図である。図８に示される例では、上述した第２の実施形態と比べてストロークセンサ７３８の代わりに、角度センサ７３９が設けられている。

また、コントローラ７４０においては、弁制御部５８０Ａの代わりに、弁制御部５８０Ｂが設けられている。

角度センサ７３９は、ブームシリンダ５２０の傾き角を検出する。角度センサ７３９は、検出結果を示した角度情報をコントローラ７４０に出力する。コントローラ７４０は、弁制御部５８０Ｂを備える。

弁制御部５８０Ｂは、取得部５８１Ｂと、力算出部５８２と、距離算出部５８３と、流量算出部５８６Ａと、面積算出部５８４と、出力部５８５と、を備えている。本実施形態においては、取得部５８１Ａの代わりに、取得部５８１Ｂが設けられると共に、流量算出部５８６Ａの代わりに、流量算出部５８６Ｂが設けられた点で、第２の実施形態と異なる。

取得部５８１Ｂは、上述した実施形態と同様に、各種センサからの情報を取得する。本実施形態に係る取得部５８１Ｂは、さらに、角度センサ７３９から入力された角度情報に基づいて、ブームシリンダ５２０の傾き角を取得する。このように角度センサ７３９は、ブームシリンダ５２０の傾き角を検出可能に設けられている。

流量算出部５８６Ｂは、ブームシリンダ５２０の傾き角の変化に基づいて、流量Ｑを算出する。

ブームシリンダ５２０が設けられたブーム５１２は、ブームシリンダ５２０のストロークに応じて、傾き角が変化する。つまり、ブーム５１２の傾き角と、ブームシリンダ５２０のロッドの位置との間には対応関係がある。

このため、流量算出部５８６Ｂは、ブームシリンダ５２０の傾き角から、ブームシリンダ５２０のロッドの位置を特定できる。つまり、流量算出部５８６Ｂは、前回入力された傾き角と、今回入力された傾き角と、に基づいて、単位時間当たりのロッドの位置の変化量を取得できる。また、流量算出部５８６Ｂは、ブームシリンダ５２０の断面積を予め保持している。したがって、流量算出部５８６Ｂは、ブームシリンダ５２０の断面積と、ロッドの位置の変化量と、から、ボトム室５２０Ｂ側の油圧回路を流れる流量Ｑを算出できる。

以降の処理については、上述した実施形態と同様として説明を省略する。本実施形態においては、上述した構成を備えることで、第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第４の実施形態）
第３の実施形態においては、角度センサ７３９を用いて算出された流量Ｑを用いて、外部再生弁７６０を制御する例について説明した。しかしながら、上述した実施形態においては、流量Ｑを検出、又は算出する手法を、流量計７３７、ストロークセンサ７３８、又は角度センサ７３９を用いた手法に制限するものではない。そこで、第４の実施形態においては、ＩＭＵ（inertial measurement unit）を用いた例について説明する。

図９は、本実施形態に係るコントロールバルブ５４６と、ブームシリンダ５２０と、の間の構成を例示した図である。図９に示される例では、上述した第３の実施形態と比べて角度センサ７３９の代わりに、ＩＭＵ７４１が設けられている。

また、コントローラ７４０においては、弁制御部５８０Ｂの代わりに、弁制御部５８０Ｃが設けられている。

ＩＭＵ７４１は、ブームシリンダ５２０の３次元の角速度、及び角加速度を検出する。ＩＭＵ７４１は、検出結果を示した慣性情報をコントローラ７４０に出力する。コントローラ７４０は、弁制御部５８０Ｃを備える。

弁制御部５８０Ｃは、取得部５８１Ｃと、力算出部５８２と、距離算出部５８３と、流量算出部５８６Ｃと、面積算出部５８４と、出力部５８５と、を備えている。本実施形態においては、取得部５８１Ｂの代わりに、取得部５８１Ｃが設けられると共に、流量算出部５８６Ｂの代わりに、流量算出部５８６Ｃが設けられた点で、第３の実施形態と異なる。

取得部５８１Ｃは、さらに、上述した実施形態と同様に、各種センサからの情報を取得する。本実施形態に係る取得部５８１Ｃは、ＩＭＵ７４１から入力された慣性情報に基づいて、ブームシリンダ５２０の角速度、及び角加速度を取得する。次に角加速度について説明する。

ショベル５００によれば、アタッチメント５１０の（例えば空中）動作によって振動が発生しそうな状態が生じる。そこで、弁制御部５８０Ｃが、アタッチメント５１０の少なくとも一軸を利用して、アタッチメント５１０の空中動作によって発生する転倒モーメント、振動、又はモーメントの変化を抑制するよう制御することで、アタッチメント５１０から下部走行体５０２に対して、車体をピッチング方向に振動させる力が伝搬するのを防止することで、ショベル５００の車体に振動が生じるのを抑制する。続いて、振動抑制に有効な具体的な制御および構成を説明する。

図１０（ａ）～（ｃ）は、実際のショベルによって、あるオペレータが空中動作を繰り返し行ったときの、動作波形図である。図１０（ａ）～（ｃ）は、異なる試行を示しており、上から順に、ピッチング角速度（すなわち車体の振動）、ブーム角加速度、アーム角加速度、ブーム角度、アーム角度が示される。図中、Ｘ印は、ピッチ角速度の負のピークに対応するポイントを示している。

図１０（ａ）～（ｃ）から、ブーム角の変化が止まるときに、振動が誘発されることが分かる。言い換えれば、ブーム角加速度が、振動の発生に及ぼす影響が最も大きいと言え、裏を返せばブーム角速度が振動の抑制にもっとも有効であることが言える。このことは、バケット角に関する慣性モーメント（イナーシャ）はバケットの質量のみが影響を与え、アーム角に関する慣性モーメントはバケットとアームの質量が影響を与えるのに対して、ブーム角に関する慣性モーメントは、ブームのみでなく、アーム、バケットの全質力が影響を与えることからも直感的に理解される。

そこで弁制御部５８０Ｃが、アタッチメント５１０のブームシリンダ５２０を制御対象として、その動作を補正することが好ましい。

そこで、流量算出部５８６Ｃは、ブームシリンダ５２０の傾き角、及び角加速度に基づいて、流量Ｑを算出する。つまり、本実施形態に係る流量算出部５８６Ｃは、上述した第３の実施形態と比べて、傾き角の変化（角速度）に加えて、角加速度を考慮することで、より詳細な単位時間当たりのロッドの位置の変化量を取得できる。また、流量算出部５８６Ｃは、ブームシリンダ５２０の断面積を予め保持している。したがって、流量算出部５８６Ｃは、ブームシリンダ５２０の断面積と、ロッドの位置の変化量と、から、ボトム室５２０Ｂ側の油圧回路を流れる流量Ｑを算出できる。

以降の処理については、上述した実施形態と同様として説明を省略する。本実施形態においては、上述した構成を備えることで、第３の実施形態と同様の効果を得ることができる。

本実施形態においては、ＩＭＵ７４１から入力された慣性情報に含まれる、ブームシリンダ５２０の角速度、及び角加速度に基づいて、流量Ｑを算出することで、流量Ｑの算出精度を向上させることができる。本実施形態においては、流量Ｑの算出精度を向上させることで、外部再生弁７６０の絞り機構の開口面積について適切な調整を実現できる。これにより、車体を傾ける力又は車体に振動が生じるのを抑制できるので、安全性を向上させることができる。

＜作用＞
上述した実施形態に係るショベル５００のコントローラ７４０は、絞り機構を有する外部再生弁７６０を用いることで、ブームシリンダ５２０のボトム室５２０Ｂ側及びロッド室５２０Ａ側について圧力制御を行うことができる。

上述した実施形態においては、ブームシリンダ５２０のボトム室５２０Ｂに接続される流路と、ロッド室５２０Ａに接続される流路と、の間に外部再生弁７６０を設ける例について説明した。しかしながら、上述した実施形態のように、外部再生弁７６０による制御対象をブームシリンダ５２０に制限するものではなく、例えば、外部再生弁による制御対象を、アームシリンダ５２２又はバケットシリンダ５２４にしてもよい。

また、リリーフ弁を用いた場合には油をタンクに落とす必要があるのに対して、上述した実施形態においては、外部再生弁７６０でボトム室５２０Ｂ側及びロッド室５２０Ａ側との間で圧力の調整を行うために、油をタンクに落とさなくてよいので、油圧回路の流量制御を容易に実現できる。つまり、上述した実施形態の構成を用いた場合、従来から用いられているリリーフの制御手法と比べて、油をタンクに出力させることによる流量の低下による、アタッチメントの落下、又は、アームシリンダ５２２若しくはバケットシリンダ５２４が移動する速度が過度に上昇する可能性を抑制できる。つまり、上述した実施形態では、流量の低下を抑制できるので、安全性を向上させることができる。

また、従来用いられていたリリーフ弁では油をタンクに落とした後、再び当該油を油圧回路に戻すためにエネルギーを要するので、エネルギー効率が低かった。これに対して、上述した実施形態においては、油をタンクに戻す必要な無いので、エネルギー効率の向上、換言すれば省エネルギー化を実現できる。

上述した実施形態においては、タンクを介さずに、外部再生弁７６０でボトム室５２０Ｂ側及びロッド室５２０Ａ側との間で圧力の調整を行うので、ボトム室５２０Ｂ側及びロッド室５２０Ａ側の間において、圧力が高い室から、圧力の低い室に、油を移動させるまでの速度の向上を実現できる。したがって、シリンダ推力を目標値まで追従させるまでの時間を短縮できる。したがって、上述した実施形態では、従来の制御と比べて、応答速度の向上を実現できる。

上述した実施形態においては、タンクを介さずに、外部再生弁７６０でボトム室５２０Ｂ側及びロッド室５２０Ａ側との間で圧力の調整する機構となっているので、従来のリリーフ弁を用いた場合と比べて構成を簡素化できる。したがって、上述した実施形態では、コストの削減を実現できる。

以上、実施形態について詳述したが、本開示はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

以上、ショベルの実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態等に限定されない。特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更、修正、置換、付加、削除、および組み合わせが可能である。それらについても当然に本発明の技術的範囲に属する。

５００ ショベル
５０２ 下部走行体
５０３ 旋回機構
５０４ 上部旋回体
５０６ エンジン
５０８ 運転室
５１０ アタッチメント
５１２ ブーム
５１４ アーム
５１６ バケット
５２０ ブームシリンダ
５２０Ａ ロッド室
５２０Ｂ ボトム室
５２２ アームシリンダ
５２４ バケットシリンダ
５３２ 減速機
５３４ メインポンプ
５３６ パイロットポンプ
５４２ 高圧油圧ライン
５４６ コントロールバルブ
５５０Ａ，５５０Ｂ 油圧モータ
５５２ パイロットライン
５５４ 操作装置
５５６ 油圧ライン
５８０、５８０Ａ、５８０Ｂ、５８０Ｃ 弁制御部
５８１、５８１Ａ、５８１Ｂ、５８１Ｃ 取得部
５８２ 力算出部
５８３ 距離算出部
５８４ 面積算出部
５８５ 出力部
５８６Ａ、５８６Ｂ、５８６Ｃ 流量算出部
７２０、７２２、７２４、７２６ センサ
７３２ 操作センサ
７３４ 圧力センサ
７３６Ａ～７３６Ｆ 圧力センサ
７３７ 流量計
７３８ ストロークセンサ
７３９ 角度センサ
７４０ コントローラ
７４１ ＩＭＵ
７６０ 外部再生弁
７６１ 電磁比例弁
７６２ ポペット弁

Claims (5)

1. 走行体と、
   前記走行体に回転自在に設けられる上部旋回体と、
   ブーム、アーム、及びバケットを有し、前記上部旋回体に取り付けられたアタッチメントと、
   前記ブーム、前記アーム、及び前記バケットのうちいずれか一つ以上を動作させるシリンダと、
   前記シリンダのボトム側の油室と、前記シリンダのロッド側の油室と、の間を接続する、絞り機構によって開口面積を調整可能な再生弁と、
   を備えるショベル。
2. 前記再生弁は、操作部からの操作に従って前記シリンダに対する油圧を制御するコントロールバルブから、前記シリンダまでの間を接続する、油圧回路に設けられ、当該油圧回路の流路を開閉可能な弁と比べて、前記シリンダ側に設けられている、
   請求項１に記載のショベル。
3. 前記ボトム側の油室に接続される流路を流れる油の圧力と、前記ロッド側の油室に接続される流路を流れる油の圧力と、前記ボトム側又は前記ロッド側の油室に接続される前記流路の流れる油の流量と、に基づいて、前記再生弁の前記絞り機構による開口面積を調整するように構成されている、
   請求項１に記載のショベル。
4. 前記油の流量は、流量計、前記シリンダが有する前記ロッドの位置の変化、又は、前記シリンダの傾き角を検出可能な角度センサにより検出された角度の変化に基づいて特定される、
   請求項３に記載のショベル。
5. 前記ボトム側の油室に接続される流路を流れる油の圧力が、前記シリンダが前記上部旋回体に及ぼす力に基づいて定められた基準圧力よりも低くなるように、前記開口面積を調整する、
   請求項３に記載のショベル。

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