JP3877307B2 - 圧油エネルギー回収装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、油圧アクチュエータから流出された戻り圧油のエネルギーを回収する装置に関し、絞りを介して戻り圧油がタンクへ流出すると想定して油圧モータの容量を制御するものである。
【０００２】
【従来の技術】
特許文献１には、油圧アクチュエータによって作業機を駆動しつつ、その油圧アクチュエータから出力される戻り圧油のエネルギーを回収する圧油エネルギー回収装置の一例が開示されている。
【０００３】
図８はこの装置と同等の油圧回路を示す図であり、油圧ショベルに搭載された油圧回路を想定している。ここでは、油圧アクチュエータとして油圧シリンダ４が使用されている。なお、ここではエネルギー回収用のアクチュエータを可変容量式の油圧モータ１０としている。
【０００４】
図８に示すエネルギー回収装置のエネルギー回収動作について説明する。主油圧ポンプ１から吐出された圧油は、方向制御弁３を介して油圧シリンダ４の一方の圧油室４ａに入力される。すると作業機（ブーム）５が動作する。一方、油圧シリンダ４の他方の圧油室４ｂからは、戻り圧油が出力される。戻り圧油のエネルギーを回収しない場合は、方向切換弁６の切換位置が位置６ａにされ、戻り圧油がタンク７に排出される。戻り圧油のエネルギーを回収する場合は、方向切換弁６の切換位置が位置６ｂにされ、戻り圧油がエネルギー回収用の油圧モータ１０に入力され、油圧モータ１０が回転駆動する。この油圧モータ１０の回転軸はエンジン２に接続されているため、油圧モータ１０の回転力によってエンジン２が駆動する。このように、戻り圧油のエネルギーはエンジン２を駆動するエネルギーとして回生される。
【０００５】
ところで、作業機５の速度すなわち油圧シリンダ４の速度は、戻り圧油の流量変化に応じて変化する。したがって、作業機５の速度を制御するために戻り圧油の流量制御が行われる。戻り圧油のエネルギーを回収しない場合は、戻り圧油の流量制御が方向制御弁３のスプールの動作によって行われる。戻り圧油のエネルギーを回収する場合は、戻り圧油の流量制御がエネルギー回収用の油圧モータ１０の容量制御によって行われる。
【０００６】
油圧モータ１０の容量制御は、操作レバー１４に対する操作によって行われる。操作レバー１４にはロッド１５を介して方向制御弁１３が機械的に接続される。操作レバー１４に対する操作に応じて方向制御弁１３の位置は切り換えられて、油圧シリンダ１１の圧油の入力、排出が制御される。
【０００７】
（特許文献１）
特開昭５６−１１５４２８号公報
【発明が解決しようとする課題】
図９（ａ）は方向制御弁３を介して戻り圧油をタンク７に排出する場合の戻り圧油の流量Ｑと圧力Ｐとの関係を示す図であり、図９（ｂ）は油圧モータ１０で戻り圧油のエネルギーを回収する場合の戻り圧油の流量Ｑと圧力Ｐとの関係を示す図である。図９（ａ）、（ｂ）は、操作レバーの操作量を一定にした場合の特性を示している。
【０００８】
図９（ａ）に示す方向制御弁３の特性、すなわちスプールの特性と、図９（ｂ）に示す油圧モータの特性とは異なっている。したがって、方向切換弁６によって戻り圧油の流出方向を切り換えた場合、戻り圧油の流量が変化し、ブーム５の速度が変化する。したがって、オペレータはブーム５の操作性に違和感を感じる。
【０００９】
また、動作中のブーム５に外乱が作用し、ブーム５の速度が上昇したとすると、油圧シリンダ４の速度が上昇し、油圧シリンダ４から出力される戻り圧油の流量Ｑが増加する。戻り圧油の流量Ｑが所定量以上（Ｑs以上）の際に、外乱によって戻り圧油の流量ＱがΔＱだけ増加したとする。戻り圧油のエネルギーを回収しない場合は、図９（ａ）に示すスプールの特性から、戻り圧油の流量増加ΔＱに対する圧力増加はΔＰ1である。戻り圧油のエネルギーを回収する場合は、図９（ｂ）に示す油圧モータの特性から、戻り圧油の流量増加ΔＱに対する圧力増加はΔＰ2である。ΔＰ2はΔＰ1と比較して非常に大きく、戻り圧油に急激な圧力上昇が発生することになる。圧力Ｐの急激な上昇はブーム５のハンチングを誘発し、ブーム５の操作性を損なう原因となる。
【００１０】
本発明はこうした実状に鑑みてなされたものであり、戻り圧油を入力する油圧モータの容量を制御し、安定した作業機の操作性を得ることを解決課題とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段および作用、効果】
第１発明は、
操作子（２４）の変位量に応じて速度が制御される油圧アクチュエータ（４）と、前記油圧アクチュエータ（４）から出力される戻り圧油が入力されて回転駆動するエネルギー回収用の油圧モータ（３０）とを備えた圧油エネルギー回収装置において、
前記操作子の変位量Ｘと仮想の絞りの開口面積Ａとの対応関係を予め記憶しておき、前記操作子に対する操作に応じて、その変位量Ｘに対応する前記仮想の絞りの開口面積Ａを求めると共に、求めた開口面積Ａと、戻り圧油の圧力Ｐと、絞りの一般公式Ｑ＝Ｃ・Ａ（√Ｐ）（Ｃは流量係数）と、を用いて戻り圧油の目標流量Ｑ0を演算し、前記油圧モータ（３０）の制御指令を出力する制御部（２５）と、
制御指令を入力し、目標流量Ｑ0の戻り圧油を入力すべく前記油圧モータ（３０）の容量を制御する制御機構（３１、３３）と、を備えたこと
を特徴とする。
【００１２】
第１発明を図１を用いて説明する。
【００１３】
コントローラ２５には、操作レバー２４の変位量Ｘと仮想の絞りの開口面積Ａとの関係式
Ａ＝ｆ（Ｘ） ・・・ （１）
が予め記憶される。
【００１４】
操作レバー２４が操作された場合に、その変位量Ｘから開口面積Ａが演算される。つづいて、この開口面積Ａと、油圧シリンダ４から出力され油圧モータ３０に入力される戻り圧油の圧力ＰAと、絞りの一般公式Ｑ＝Ｃ・Ａ（√Ｐ）に基づいて、
Ｑ0＝Ｃ1・Ａ（√ＰA） ・・・ （２）
が演算される。（２）式において、Ｑ0は圧油室４ｂから出力される戻り圧油の目標流量であり、Ｃ1は流量係数である。つづいて、この戻り圧油の目標流量Ｑ0と、油圧モータ３０の回転数ｎによって、
ｑA0＝（Ｑ0／ｎ）・Ｃ2 ・・・ （３）
が演算される。（３）式において、ｑA0は目標流量Ｑ0の戻り圧油を入力する油圧モータ３０の目標容量であり、Ｃ2はモータ効率である。そして、油圧モータ３０の容量ｑAを目標容量ｑA0にすべく容量制御信号ＺAが生成され、電磁比例弁３３に出力される。
【００１５】
容量制御信号ＺAに基づき、電磁比例弁３３は容量変更部３１の油圧シリンダ３１ａ内の油圧を調整して、ピストン３１ｂの位置を制御する。こうして、油圧モータ３０の容量ｑAが制御される。
【００１６】
第１発明によれば、戻り圧油の流量を絞りで制御する場合と等しくなるように、エネルギー回収用の油圧モータの容量が制御されるため、戻り圧油の流量と圧力の関係はスプールの特性と同等になる。したがって、作業機のハンチングは抑制され、安定した操作性が得られる。
【００１７】
第２発明は、
操作子（２４）の操作量に応じて速度が制御される油圧アクチュエータ（４）と、前記油圧アクチュエータ（４）から出力される戻り圧油が入力されて回転駆動するエネルギー回収用の油圧モータ（３０）と、前記油圧モータ（３０）の回転力で駆動される回生用の油圧ポンプ（４０）とを備えた圧油エネルギー回収装置において、
前記操作子の変位量Ｘと仮想の絞りの開口面積Ａとの対応関係を予め記憶しておき、前記操作子に対する操作に応じて、その変位量Ｘに対応する前記仮想の絞りの開口面積Ａを求めると共に、求めた開口面積Ａと、戻り圧油の圧力Ｐと、絞りの一般公式Ｑ＝Ｃ・Ａ（√Ｐ）（Ｃは流量係数）と、を用いて戻り圧油の目標流量Ｑ0を演算し、前記油圧モータ（３０）と前記油圧ポンプ（４０）の制御指令を出力する制御部（２５）と、
制御指令を入力し、目標流量Ｑ0の戻り圧油を入力すべく前記油圧モータ（３０）の容量と前記油圧ポンプ（４０）の容量とを制御する制御機構（３１、３３、４１、４３）と、を備えたこと
を特徴とする。
【００１８】
第２発明は第１発明に更にエネルギー回生用の油圧ポンプを加えたものである。
【００１９】
第３発明は、第１、第２発明において、
前記油圧アクチュエータ（４）と前記油圧モータ（３０）との間にブリード弁（６１）を備え、
前記制御部（２５）は、目標流量Ｑ0と前記油圧モータ（３０）に入力される戻り圧油の流量ＱAとの差Ｑ0−ＱAの圧油をタンク（７）に排出するように前記ブリード弁（６１）を制御すること
を特徴とする。
【００２０】
第４発明は、第１、第２発明において、
前記油圧アクチュエータ（４）と前記油圧モータ（３０）との間に方向制御弁（６２）を備え、
前記制御部（２５）は、目標流量Ｑ0と前記油圧モータに入力される戻り圧油の流量Ｑとの差Ｑ0−ＱAの圧油をタンク（７）に排出するように前記方向制御弁（６２）を制御すること
を特徴とする。
【００２１】
第３、第４発明によれば、第１発明で使用する油圧モータよりも応答性が遅い油圧モータを使用することができる。応答性が早い油圧モータを使用する場合と比較して応答性が遅い油圧モータを使用する場合はコストを低減できる。
【００２２】
また、油圧シリンダからの戻り圧油の一部をタンクへ排出することができるため、油圧シリンダからの戻り圧油の全てを油圧モータへ流す必要がなくなる。
【００２３】
したがって、油圧モータのサイズを小さくすることもできる。
【００２４】
第５発明は、第１、第２発明において、
前記油圧アクチュエータ（４）と前記油圧モータ（３０）との間にブリード弁（６１）と、方向制御弁（６２）と、を備え、
前記制御部（２５）は、目標流量Ｑ0と前記油圧モータ（３０）に入力される戻り圧油の流量Ｑとの差Ｑ0−ＱAの圧油をタンク（７）に排出するように前記ブリード弁（６１）及び前記方向制御弁（６２）を制御すること
を特徴とする。
【００２５】
第５発明によれば、第２、第３発明で使用する油圧モータよりも応答性が遅い油圧モータを使用することができる。応答性が早い油圧モータを使用する場合と比較して応答性が遅い油圧モータを使用する場合はコストを低減できる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明に係る圧油エネルギー回生装置の実施形態について説明する。
【００２７】
図１は第１の実施形態の油圧回路を示す。実施形態では油圧ショベルに搭載された油圧回路を想定している。
【００２８】
主油圧ポンプ１は可変容量型であって、エンジン２によって駆動される。なお、エンジン２はモータでもよい。
【００２９】
方向制御弁２１は操作レバー２４に対する操作に応じて主油圧ポンプ１から油圧シリンダ４への圧油の流出方向及び油圧シリンダ４からタンク７への圧油の流出方向を切り換える。また、方向制御弁２１は操作レバー２４に対する操作に応じてスプールの動作を調整し、戻り圧油の流量を制御する。
【００３０】
油圧シリンダ４は圧油室４ａ、４ｂを有し、主油圧ポンプ１から圧油室４ａ又は圧油室４ｂへの圧油の入力によってブーム５を動作させる。
【００３１】
回収弁２２は２つの切換位置を有する。一方の位置２２ａは方向制御弁２１のスプールの位置に応じて油圧シリンダ４の圧油室４ｂと主油圧ポンプ１又はタンク７とを連通し、他方の位置２２ｂは油圧シリンダ４の圧油室４ｂと油圧モータ３０とを連通する。回収弁２２はコントローラ２５からの位置切換信号Ｒに応じて切り換えられる。
【００３２】
なお、本実施形態では、方向制御弁２１、油圧シリンダ４、作業機５、回収弁２２がそれぞれ複数設けられており、複数の油圧シリンダ４から出力される戻り圧油のうち、コントローラ２４によって選択された一つの油圧シリンダ４から出力される戻り圧油のエネルギーのみが回収される。
【００３３】
可変容量型の油圧モータ３０と可変容量型の油圧ポンプ４０は回転軸同士が接続されている。油圧モータ３０は油圧シリンダ４の圧油室４ｂから出力される戻り圧油が入力されることによって回転し、油圧モータ３０の回転によって油圧ポンプ４０は回転する。なお、本明細書では油圧モータ３０と油圧ポンプ４０は斜板式であるとして説明するが、これに限るものではない。
【００３４】
容量変更部３１はシリンダ３１ａとピストン３１ｂとばね３１ｃとからなる。シリンダ３１ａ内には油圧モータ３０の斜板に接続されたピストン３１ｂが摺動自在に設けられている。ピストン３１ｂの一端には圧油の圧力が作用し、他端にはばね３１ｃのばね力が作用する。ピストン３１ｂの一端に作用する圧油の圧力が他端に作用するばね力よりも大きい場合に、ピストン３１ｂはシリンダ３１ａ内を摺動し、油圧モータ３０の斜板の傾転角が小さくなる。すると、油圧モータ３０の容量は小さくなる。ピストン３１ｂの一端に作用する圧油の圧力が他端に作用するばね力よりも小さい場合に、ピストン３１ｂはシリンダ３１ａ内を摺動し、油圧モータ３０の斜板の傾転角が大きくなる。すると、油圧モータ３０の容量は大きくなる。
【００３５】
なお、ピストン３１ｂの一端に作用する圧油の圧力が他端に作用するばね力よりも大きい場合に、油圧モータ３０の容量を大きくし、ピストン３１ｂの一端に作用する圧油の圧力が他端に作用するばね力よりも小さい場合に、油圧モータ３０の容量を小さくするように、容量変更部３１を構成してもよい。
【００３６】
電磁比例弁３３はコントローラ２５からの容量制御信号ＺAに応じて、圧力源１２から容量変更部３１への圧油の供給と容量変更部３１からタンク７への圧油の排出とを切り換えると共に、ピストン３１ｂに作用する圧油の圧力を制御する。
【００３７】
容量変更部４１の構成は容量変更部３１の構成と同等であり、電磁比例弁４３の構成は電磁比例弁３３の構成と同等であるため、それぞれの説明を省略する。
【００３８】
コントローラ２５は、各種センサ５１〜５６から信号を入力し、回収弁２２に位置切換信号Ｒを出力し、電磁比例弁３３、４３に容量制御信号ＺA、ＺBを出力する。油圧シリンダ４と油圧モータ３０との間に仮想の絞りを設けた場合を想定して、コントローラ２５には、操作レバー２４の変位量Ｘとその時の仮想の絞りの開口面積Ａとの関係が予め記憶される。この仮想の絞りの特性は方向制御弁２１のスプールの特性と同等にすることが望ましい。操作レバー２４の変位量Ｘと仮想の絞りの開口面積Ａは、
Ａ＝ｆ（Ｘ） ・・・ （１）
という関係式で表せる。コントローラ２５には（１）式が記憶される。なお、図１に示すように複数の作業機５が設けられており、複数の油圧シリンダ４から戻り圧油が出力される場合に、コントローラ２５は、最も流量が多い戻り圧油のみが油圧モータ３０に入力されるように、複数の回収弁２２の切換位置を制御する。
【００３９】
本油圧回路には各種センサ５１〜５６が設けられている。変位センサ５１は操作レバー２４の変位量Ｘを検出する。変位センサ５１はポテンショメータの一種である。回転センサ５２は油圧モータ３０及び油圧ポンプ４０の回転数ｎを検出する。圧力センサ５３は油圧モータ３０に入力される戻り圧油の圧力ＰAを検出する。圧力センサ５４は油圧ポンプ４０から吐出される圧油の圧力ＰBを検出する。ストロークセンサ５５はピストン３１ｂのストロークＳAを検出し、ストロークセンサ５６はピストン４１ｂのストロークＳBを検出する。
【００４０】
本実施形態による圧油エネルギー回収動作について説明する。
【００４１】
操作レバー２４に対して所定操作がなされた場合、方向制御弁２１は、主油圧ポンプ１と油圧シリンダ４の圧油室４ａとを連通する。また、回収弁２２は油圧シリンダ４の圧油室４ｂと油圧モータ３０とを連通する。すると、主油圧ポンプ１から吐出された圧油は方向制御弁２１を介して油圧シリンダ４の圧油室４ａに入力される。一方、圧油室４ｂからは戻り圧油が出力される。戻り圧油は回収弁２２を介して油圧モータ３０に入力される。さらに、油圧モータ３０の回転によって、油圧ポンプ４０が回転する。油圧ポンプ４０から吐出された圧油は、主油圧ポンプ１から吐出される圧油に合流される。
【００４２】
つぎに、上記圧油エネルギー回収動作の際に、コントローラ２５によって行われる各制御について説明する。
【００４３】
操作レバー２４に対する操作によって油圧シリンダ４の圧油室４ｂから戻り圧油が出力される場合、コントローラ２５から回収弁２２に位置切換信号Ｒが出力される。位置切換信号Ｒに応じて回収弁２２は位置２２ｂに切り換えられる。すると、戻り圧油は回収弁２２を介して油圧モータ３０に入力される。
【００４４】
コントローラ２５では、操作レバー２４の変位量Ｘと、上記（１）式によって、操作レバー２４の変位量Ｘに対応した仮想の絞りの開口面積Ａが演算される。つづいて、この開口面積Ａと、油圧シリンダ４から出力され油圧モータ３０に入力される戻り圧油の圧力ＰAと、絞りの一般公式Ｑ＝Ｃ・Ａ（√Ｐ）に基づいて、
Ｑ0＝Ｃ1・Ａ（√ＰA） ・・・ （２）
が演算される。（２）式において、Ｑ0は圧油室４ｂから出力される戻り圧油の目標流量であり、Ｃ1は流量係数である。つづいて、この戻り圧油の目標流量Ｑ0と、油圧モータ３０の回転数ｎによって、
ｑA0＝（Ｑ0／ｎ）・Ｃ2 ・・・ （３）
が演算される。（３）式において、ｑA0は目標流量Ｑ0の戻り圧油を入力する油圧モータ３０の目標容量であり、Ｃ2はモータ効率である。そして、油圧モータ３０の容量ｑAを目標容量ｑA0にすべく容量制御信号ＺAが生成され、電磁比例弁３３に出力される。
【００４５】
電磁比例弁３３は、容量制御信号ＺAに基づいて制御される。ｑA0＞ｑAの場合、容量制御信号ＺAは油圧モータ３０の容量を大きくする指令である。電磁比例弁３３は圧力源１２から出力される圧油の圧力を制御し、容量変更部３１のシリンダ３１ａに出力する。すると、ピストン３１ｂのストロークＳAが変化し、油圧モータ３０の容量ｑAが大きくなる。ｑA0＜ｑAの場合、容量制御信号ＺAは油圧モータ３０の容量を小さくする指令である。電磁比例弁３３は容量変更部３１のシリンダ３１ａ内の圧油をタンク７に排出する。すると、ピストン３１ｂのストロークＳAが変化し、油圧モータ３０の容量ｑAが小さくなる。ｑA0＝ｑAの場合、容量制御信号ＺAは現状を維持する指令である。
【００４６】
ピストン３１ｂのストロークＳAはコントローラ２５にフィードバックされる。ピストン３１ｂのストロークＳAと油圧モータ３０の容量ｑAは比例するため、ピストン３１ｂのストロークＳAによって油圧モータ３０の容量ｑAが演算される。そして、ｑA＝ｑA0となるように油圧モータ３０の容量制御が行われる。
【００４７】
油圧ポンプ４０の容量ｑＢは、油圧モータ３０の回転力によって回転可能な範囲で制御される。例えば、コントローラ２５では、油圧モータ３０の回転力によって回転可能な最大容量が、油圧モータ３０の容量ｑA、油圧モータ３０に入力される戻り圧油の圧力ＰA、油圧ポンプ４０から吐出される圧油の圧力ＰBを用いて演算され、目標容量ｑＢ0とされる。そして、油圧ポンプ４０の容量ｑBを目標容量ｑB0にすべく容量制御信号ＺBが生成され、電磁比例弁４３に出力される。
【００４８】
電磁比例弁４３は、容量制御信号ＺBに基づいて制御される。ｑB0＞ｑBの場合、容量制御信号ＺBは油圧ポンプ４０の容量を大きくする指令である。電磁比例弁４３は圧力源１２から出力される圧油の圧力を制御し、容量変更部４１のシリンダ４１ａに出力する。すると、ピストン４１ｂのストロークＳB が変化し、油圧ポンプ４０の容量ｑBが大きくなる。ｑB0＜ｑBの場合、容量制御信号ＺBは油圧ポンプ４０の容量を小さくする指令である。電磁比例弁４３は容量変更部４１のシリンダ４１ａ内の圧油をタンク７に排出する。すると、ピストン４１ｂのストロークＳBが変化し、油圧ポンプ４０の容量ｑBが小さくなる。ｑB0＝ｑBの場合、容量制御信号ＺBは現状を維持する指令である。
【００４９】
ピストン４１ｂのストロークＳBはコントローラ２５にフィードバックされる。ピストン４１ｂのストロークＳBと油圧ポンプ４０の容量ｑBは比例するため、ピストン４１ｂのストロークＳBによって油圧ポンプ４０の容量ｑBが演算される。そして、ｑB＝ｑB0となるように油圧ポンプ４０の容量制御が行われる。
【００５０】
第１の実施形態によれば、戻り圧油の流量を絞りで制御する場合と等しくなるように、エネルギー回収用の油圧モータの容量が制御されるため、戻り圧油の流量と圧力の関係はスプールの特性と同等になる。したがって、作業機のハンチングは抑制され、安定した操作性が得られる。
【００５１】
ところで、第１の実施形態では、コントローラ２５の容量制御信号ＺAに対して、応答性が早い油圧モータ３０が使用される場合を想定している。つぎに、コントローラ２５の容量制御信号ＺAに対して、応答性が遅い油圧モータ３０が使用された場合について、第２〜第４の実施形態として説明する。
【００５２】
図２は第２の実施形態の油圧回路を示す。図１と同一の構成要素には同一の符号を付している。
【００５３】
本実施形態は、第１の実施形態の構成にさらにブリード弁６１を加えた構成である。ブリード弁６１の開口面積Ａ1はスプールのストロークＹ1に応じて変化し、スプールはコントローラ２５からのストローク指令Ｙs1に応じて動作する。開口面積ＡとスプールのストロークＹとの間には図３に示すような関係がある。コントローラ２５では、ブリード弁６１の開口面積Ａ1が演算され、この開口面積Ａ1からスプールのストロークＹ1が特定され、ストロークＹ1に対応するストローク指令Ｙs1が生成される。
【００５４】
つぎに、本実施形態における圧油エネルギー回収動作の際に、コントローラ２５によって行われる各制御について説明する。
【００５５】
コントローラ２５の各制御のうち、油圧モータ３０及び油圧ポンプ４０の容量制御は第１の実施形態と同一である。本実施形態では、油圧モータ３０の応答性が遅いため、戻り圧油の目標流量Ｑ0と実際に油圧モータ３０で入力可能な流量ＱAとの間には余剰流量が発生する。そこで、一時的にその余剰流量がブリード弁６１でタンク７に排出され、戻り圧油の急激な圧力上昇が抑制される。
【００５６】
コントローラ２５では、油圧モータ３０の回転数ｎと、ピストン３１ｂのストロークＳAに基づいて演算した油圧モータ３０の容量ｑAとによって、
ＱA＝ｎ・ｑA・Ｃ2 ・・・ （４）
が演算される。（４）式において、ＱAは油圧モータ３０に入力される戻り圧油の流量である。
【００５７】
ブリード弁６１で排出すべき圧油の余剰流量は、目標ブリード流量Ｑ10として求められる。目標ブリード流量Ｑ10は、油圧モータ３０に入力される戻り圧油の流量ＱAと、圧油室４ｂから出力される戻り圧油の目標流量Ｑ0によって、
Ｑ10＝Ｑ0−ＱA ・・・ （５）
と表せる。また、目標ブリード流量Ｑ10は、絞りの一般公式Ｑ＝Ｃ・Ａ（√Ｐ）に基づいて、
Ｑ10＝Ｃ3・Ａ10（√ＰA） ・・・ （６）
とも表せる。（６）式において、Ａ10はブリード弁６１の目標開口面積であり、Ｃ3は流量係数である。（５）式、（６）式によって、
Ａ10＝（Ｑ0−ＱA）／｛Ｃ3（√ＰA）｝ ・・・ （７）
が演算される。そして、ブリード弁６１の開口面積Ａ1を目標開口面積Ａ10にすべくブリード弁６１のストロークＹ1が、図３によって求められる。さらに、ストロークＹ1に対応するストローク指令Ｙs1が生成され、ブリード弁６１に出力される。
【００５８】
こうして、ブリード弁６１のスプールはストローク指令Ｙs1に基づいて動作され、目標ブリード流量Ｑ10の戻り圧油がタンク７に排出される。そして、Ｑ0＝ｎ・ｑA・Ｃ2となった時点でブリード弁６１は閉止され、タンク７への戻り圧油の排出が停止される。
【００５９】
図４は第３の実施形態の油圧回路を示す。図１、図２と同一の構成要素には同一の符号を付している。
【００６０】
本実施形態は、第１の実施形態の２位置の回収弁２２に換えて、回収弁６２を設けた構成である。
【００６１】
回収弁６２は、スプールの位置に応じて、油圧シリンダ４の圧油室４ｂと主油圧ポンプ１又はタンク７とを連通し、又は油圧シリンダ４の圧油室４ｂと油圧モータ３０とを連通し、又は油圧シリンダ４の圧油室４ｂと主油圧ポンプ１又はタンク７とを連通すると共に油圧シリンダ４の圧油室４ｂと油圧モータ３０とを連通する。回収弁６２における方向制御弁２１側の開口面積Ａ2及び油圧モータ３０側の開口面積Ａ3はスプールのストロークＹ2に応じて変化し、スプールはコントローラ２５からのストローク指令Ｙs2に応じて動作する。開口面積ＡとスプールのストロークＹとの間には図５に示すような関係がある。コントローラ２５では、回収弁６２における方向制御弁２１側の開口面積Ａ2が演算され、この開口面積Ａ2からスプールのストロークＹ2が特定され、ストロークＹ2に対応するストローク指令Ｙs2が生成される。
【００６２】
本油圧回路には各種センサ５１〜５６に加えて圧力センサ５７、５８が設けられている。圧力センサ５７は油圧シリンダ４の圧油室４ｂから出力され、回収弁６２に入力される前の戻り圧油の圧力Ｐcylを検出する。圧力センサ５８は回収弁６２から出力され、タンク７に排出される戻り圧油の圧力Ｐsを検出する。各圧力センサ５７、５８で検出された圧力Ｐcyl、Ｐsはコントローラ２５に入力される。
【００６３】
つぎに、本実施形態における圧油エネルギー回収動作の際に、コントローラ２５によって行われる各制御について説明する。
【００６４】
コントローラ２５の各制御のうち、油圧モータ３０及び油圧ポンプ４０の容量制御は第１及び第２の実施形態と同一である。本実施形態では、油圧モータ３０の応答性が遅いため、戻り圧油の目標流量Ｑ0と実際に油圧モータ３０で入力可能な流量ＱAとの間には余剰流量が発生する。そこで、一時的にその余剰流量が回収弁６２でタンク７に排出され、戻り圧油の急激な圧力上昇が抑制される。
【００６５】
コントローラ２５では、油圧モータ３０の回転数ｎと、ピストン３１ｂのストロークＳAに基づいて演算した油圧モータ３０の容量ｑAとによって、
ＱA＝ｎ・ｑA・Ｃ2 ・・・ （４）
が演算される。（４）式において、ＱAは油圧モータ３０に入力される戻り圧油の流量である。
【００６６】
回収弁６２で排出すべき圧油の余剰流量は、目標ブリード流量Ｑ20として求められる。目標ブリード流量Ｑ20は、油圧モータ３０に入力される戻り圧油の流量ＱAと、圧油室４ｂから出力される戻り圧油の目標流量Ｑ0によって、
Ｑ20＝Ｑ0−ＱA ・・・ （８）
と表せる。また、目標ブリード流量Ｑ20は、絞りの一般公式Ｑ＝Ｃ・Ａ（√Ｐ）に基づいて、
Ｑ20＝Ｃ4・Ａ20｛√（Ｐcyl−Ｐs）｝ ・・・ （９）
とも表せる。（９）式において、Ａ20は回収弁６２における方向制御弁２１側の目標開口面積であり、Ｃ4は流量係数である。（８）式、（９）式によって、
Ａ20＝（Ｑ0−ＱA）／｛Ｃ4・√（Ｐcyl−Ｐs）｝ ・・・ （１０）
が演算される。そして、回収弁６２の開口面積Ａ2を目標開口面積Ａ20にすべく回収弁６２のストロークＹ2が、図５によって求められる。さらに、ストロークＹ2に対応するストローク指令Ｙs2が生成され、回収弁６２に出力される。
【００６７】
こうして、回収弁６２のスプールはストローク指令Ｙs2に基づいて動作され、目標ブリード流量Ｑ20の戻り圧油がタンク７に排出される。そして、Ｑ0＝ｎ・ｑA・Ｃ2となった時点で回収弁６２のタンク７側の開口が閉止され、タンク７への戻り圧油の排出が停止される。
【００６８】
なお、本実施形態では、圧力センサ５７、５８を用いず演算によって圧力Ｐcyl、Ｐsを求め、回収弁６２の目標開口面積Ａ20を求めることも可能である。以下でその説明をする。
【００６９】
油圧モータ３０で入力可能な流量ＱAは、絞りの一般公式Ｑ＝Ｃ・Ａ（√Ｐ）に基づいて、
ＱA＝Ｃ5・Ａ3・√（Ｐcyl−ＰA） ・・・ （１１）
Ｐcyl＝｛ＱA／（Ｃ5・Ａ3）｝２＋ＰA ・・・ （１２）
と表せる。（１１）、（１２）式において、Ａ3は回収弁６２における油圧モータ３０側の開口面積であり、Ｃ5は流量係数である。回収弁６２のスプールのストロークＹ2が求められれば、図５によってＡ3は求められる。
【００７０】
一方、方向制御弁２１におけるタンク７側の開口面積Ａ4及び方向制御弁２１のスプールのストロークＹ3には、図３に示すような関係がある。コントローラ２５には、変位センサ５１から出力される変位量Ｘと操作レバー２４のレバー変位との関係、操作レバー２４のレバー変位と方向制御弁２１に付与される圧力Ｐl1との関係、圧力Ｐl1とストロークＹ3との関係、ストロークＹ3と開口面積Ａ4との関係（図３）、が予め設定される。このため、変位量Ｘから開口面積Ａ4が演算可能である。
【００７１】
方向制御弁２１に関して目標ブリード流量Ｑ20は、
Ｑ20＝Ｃ6・Ａ4・√ＰS ・・・ （１３）
ＰS＝｛Ｑ20／（Ｃ6・Ａ4）｝２ ・・・ （１４）
と表され、（８）、（１４）式によって
ＰS＝｛（Ｑ0−ＱA）／（Ｃ6・Ａ4）｝２ ・・・ （１４）′
と表せる。（１３）、（１４）、（１４）′式、においてＣ6は流量係数である。
【００７２】
したがって、（１０）式に（１２）、（１４）′式を代入することによって、回収弁６２の目標開口面積Ａ20を求めることができる。このように、圧力センサ５７、５８を用いず演算によって圧力Ｐcyl、Ｐsを求め、回収弁６２の目標開口面積Ａ20を求めることも可能である。
【００７３】
第２、第３の実施形態によれば、第１の実施形態で使用する油圧モータよりも応答性が遅い油圧モータを使用することができる。応答性が早い油圧モータを使用する場合と比較して応答性が遅い油圧モータを使用する場合はコストを低減できる。
【００７４】
図６は第４の実施形態の油圧回路を示す。図１、図２、図４と同一の構成要素には同一の符号を付している。
【００７５】
本実施形態は、第２の実施形態と第３の実施形態を合わせた構成、つまり第１の実施形態にブリード弁６１と、回収弁６２とを備えた構成である。
【００７６】
各部の構成及び動作は第２の実施形態及び第３の実施形態と同じであるため、説明を省略する。
【００７７】
第４の実施形態によれば、第２、第３の実施形態で使用する油圧モータよりも応答性が遅い油圧モータを使用することができる。応答性が早い油圧モータを使用する場合と比較して応答性が遅い油圧モータを使用する場合はコストを低減できる。
【００７８】
なお、第１〜第４の実施形態では、エネルギー回収用の油圧モータ３０の回転軸にエネルギー回生用の油圧ポンプ４０の回転軸を接続している。しかし、油圧モータ３０の回転軸に他のアクチュエータを接続するようにしてもよい。例えば、図７に示すように、油圧モータ３０の回転軸にエンジン１の回転軸を接続し、主油圧ポンプ２の駆動を補助するようにすることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は第１の実施形態の油圧回路を示す図である。
【図２】図２は第２の実施形態の油圧回路を示す図である。
【図３】図３は開口面積とスプールのストロークとの関係を示す図である。
【図４】図４は第３の実施形態の油圧回路を示す図である。
【図５】図５は開口面積とスプールのストロークとの関係を示す図である。
【図６】図６は第４の実施形態の油圧回路を示す図である。
【図７】図７は第１〜第４の実施形態における他の実施形態を示す図である。
【図８】図８は従来の油圧回路を示す図である。
【図９】図９（ａ）はスプールの特性を示す図であり、図９（ｂ）は油圧モータの特性を示す図である。
【符号の説明】
４ 油圧シリンダ
２４ 操作レバー
２５ コントローラ
３０ 油圧モータ
４０ 油圧ポンプ
３１、４１ 容量変更部
３３、４３ 電磁比例弁
６１ ブリード弁
６２ 方向制御弁
【発明の属する技術分野】
本発明は、油圧アクチュエータから流出された戻り圧油のエネルギーを回収する装置に関し、絞りを介して戻り圧油がタンクへ流出すると想定して油圧モータの容量を制御するものである。
【０００２】
【従来の技術】
特許文献１には、油圧アクチュエータによって作業機を駆動しつつ、その油圧アクチュエータから出力される戻り圧油のエネルギーを回収する圧油エネルギー回収装置の一例が開示されている。
【０００３】
図８はこの装置と同等の油圧回路を示す図であり、油圧ショベルに搭載された油圧回路を想定している。ここでは、油圧アクチュエータとして油圧シリンダ４が使用されている。なお、ここではエネルギー回収用のアクチュエータを可変容量式の油圧モータ１０としている。
【０００４】
図８に示すエネルギー回収装置のエネルギー回収動作について説明する。主油圧ポンプ１から吐出された圧油は、方向制御弁３を介して油圧シリンダ４の一方の圧油室４ａに入力される。すると作業機（ブーム）５が動作する。一方、油圧シリンダ４の他方の圧油室４ｂからは、戻り圧油が出力される。戻り圧油のエネルギーを回収しない場合は、方向切換弁６の切換位置が位置６ａにされ、戻り圧油がタンク７に排出される。戻り圧油のエネルギーを回収する場合は、方向切換弁６の切換位置が位置６ｂにされ、戻り圧油がエネルギー回収用の油圧モータ１０に入力され、油圧モータ１０が回転駆動する。この油圧モータ１０の回転軸はエンジン２に接続されているため、油圧モータ１０の回転力によってエンジン２が駆動する。このように、戻り圧油のエネルギーはエンジン２を駆動するエネルギーとして回生される。
【０００５】
ところで、作業機５の速度すなわち油圧シリンダ４の速度は、戻り圧油の流量変化に応じて変化する。したがって、作業機５の速度を制御するために戻り圧油の流量制御が行われる。戻り圧油のエネルギーを回収しない場合は、戻り圧油の流量制御が方向制御弁３のスプールの動作によって行われる。戻り圧油のエネルギーを回収する場合は、戻り圧油の流量制御がエネルギー回収用の油圧モータ１０の容量制御によって行われる。
【０００６】
油圧モータ１０の容量制御は、操作レバー１４に対する操作によって行われる。操作レバー１４にはロッド１５を介して方向制御弁１３が機械的に接続される。操作レバー１４に対する操作に応じて方向制御弁１３の位置は切り換えられて、油圧シリンダ１１の圧油の入力、排出が制御される。
【０００７】
（特許文献１）
特開昭５６−１１５４２８号公報
【発明が解決しようとする課題】
図９（ａ）は方向制御弁３を介して戻り圧油をタンク７に排出する場合の戻り圧油の流量Ｑと圧力Ｐとの関係を示す図であり、図９（ｂ）は油圧モータ１０で戻り圧油のエネルギーを回収する場合の戻り圧油の流量Ｑと圧力Ｐとの関係を示す図である。図９（ａ）、（ｂ）は、操作レバーの操作量を一定にした場合の特性を示している。
【０００８】
図９（ａ）に示す方向制御弁３の特性、すなわちスプールの特性と、図９（ｂ）に示す油圧モータの特性とは異なっている。したがって、方向切換弁６によって戻り圧油の流出方向を切り換えた場合、戻り圧油の流量が変化し、ブーム５の速度が変化する。したがって、オペレータはブーム５の操作性に違和感を感じる。
【０００９】
また、動作中のブーム５に外乱が作用し、ブーム５の速度が上昇したとすると、油圧シリンダ４の速度が上昇し、油圧シリンダ４から出力される戻り圧油の流量Ｑが増加する。戻り圧油の流量Ｑが所定量以上（Ｑs以上）の際に、外乱によって戻り圧油の流量ＱがΔＱだけ増加したとする。戻り圧油のエネルギーを回収しない場合は、図９（ａ）に示すスプールの特性から、戻り圧油の流量増加ΔＱに対する圧力増加はΔＰ1である。戻り圧油のエネルギーを回収する場合は、図９（ｂ）に示す油圧モータの特性から、戻り圧油の流量増加ΔＱに対する圧力増加はΔＰ2である。ΔＰ2はΔＰ1と比較して非常に大きく、戻り圧油に急激な圧力上昇が発生することになる。圧力Ｐの急激な上昇はブーム５のハンチングを誘発し、ブーム５の操作性を損なう原因となる。
【００１０】
本発明はこうした実状に鑑みてなされたものであり、戻り圧油を入力する油圧モータの容量を制御し、安定した作業機の操作性を得ることを解決課題とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段および作用、効果】
第１発明は、
操作子（２４）の変位量に応じて速度が制御される油圧アクチュエータ（４）と、前記油圧アクチュエータ（４）から出力される戻り圧油が入力されて回転駆動するエネルギー回収用の油圧モータ（３０）とを備えた圧油エネルギー回収装置において、
前記操作子の変位量Ｘと仮想の絞りの開口面積Ａとの対応関係を予め記憶しておき、前記操作子に対する操作に応じて、その変位量Ｘに対応する前記仮想の絞りの開口面積Ａを求めると共に、求めた開口面積Ａと、戻り圧油の圧力Ｐと、絞りの一般公式Ｑ＝Ｃ・Ａ（√Ｐ）（Ｃは流量係数）と、を用いて戻り圧油の目標流量Ｑ0を演算し、前記油圧モータ（３０）の制御指令を出力する制御部（２５）と、
制御指令を入力し、目標流量Ｑ0の戻り圧油を入力すべく前記油圧モータ（３０）の容量を制御する制御機構（３１、３３）と、を備えたこと
を特徴とする。
【００１２】
第１発明を図１を用いて説明する。
【００１３】
コントローラ２５には、操作レバー２４の変位量Ｘと仮想の絞りの開口面積Ａとの関係式
Ａ＝ｆ（Ｘ） ・・・ （１）
が予め記憶される。
【００１４】
操作レバー２４が操作された場合に、その変位量Ｘから開口面積Ａが演算される。つづいて、この開口面積Ａと、油圧シリンダ４から出力され油圧モータ３０に入力される戻り圧油の圧力ＰAと、絞りの一般公式Ｑ＝Ｃ・Ａ（√Ｐ）に基づいて、
Ｑ0＝Ｃ1・Ａ（√ＰA） ・・・ （２）
が演算される。（２）式において、Ｑ0は圧油室４ｂから出力される戻り圧油の目標流量であり、Ｃ1は流量係数である。つづいて、この戻り圧油の目標流量Ｑ0と、油圧モータ３０の回転数ｎによって、
ｑA0＝（Ｑ0／ｎ）・Ｃ2 ・・・ （３）
が演算される。（３）式において、ｑA0は目標流量Ｑ0の戻り圧油を入力する油圧モータ３０の目標容量であり、Ｃ2はモータ効率である。そして、油圧モータ３０の容量ｑAを目標容量ｑA0にすべく容量制御信号ＺAが生成され、電磁比例弁３３に出力される。
【００１５】
容量制御信号ＺAに基づき、電磁比例弁３３は容量変更部３１の油圧シリンダ３１ａ内の油圧を調整して、ピストン３１ｂの位置を制御する。こうして、油圧モータ３０の容量ｑAが制御される。
【００１６】
第１発明によれば、戻り圧油の流量を絞りで制御する場合と等しくなるように、エネルギー回収用の油圧モータの容量が制御されるため、戻り圧油の流量と圧力の関係はスプールの特性と同等になる。したがって、作業機のハンチングは抑制され、安定した操作性が得られる。
【００１７】
第２発明は、
操作子（２４）の操作量に応じて速度が制御される油圧アクチュエータ（４）と、前記油圧アクチュエータ（４）から出力される戻り圧油が入力されて回転駆動するエネルギー回収用の油圧モータ（３０）と、前記油圧モータ（３０）の回転力で駆動される回生用の油圧ポンプ（４０）とを備えた圧油エネルギー回収装置において、
前記操作子の変位量Ｘと仮想の絞りの開口面積Ａとの対応関係を予め記憶しておき、前記操作子に対する操作に応じて、その変位量Ｘに対応する前記仮想の絞りの開口面積Ａを求めると共に、求めた開口面積Ａと、戻り圧油の圧力Ｐと、絞りの一般公式Ｑ＝Ｃ・Ａ（√Ｐ）（Ｃは流量係数）と、を用いて戻り圧油の目標流量Ｑ0を演算し、前記油圧モータ（３０）と前記油圧ポンプ（４０）の制御指令を出力する制御部（２５）と、
制御指令を入力し、目標流量Ｑ0の戻り圧油を入力すべく前記油圧モータ（３０）の容量と前記油圧ポンプ（４０）の容量とを制御する制御機構（３１、３３、４１、４３）と、を備えたこと
を特徴とする。
【００１８】
第２発明は第１発明に更にエネルギー回生用の油圧ポンプを加えたものである。
【００１９】
第３発明は、第１、第２発明において、
前記油圧アクチュエータ（４）と前記油圧モータ（３０）との間にブリード弁（６１）を備え、
前記制御部（２５）は、目標流量Ｑ0と前記油圧モータ（３０）に入力される戻り圧油の流量ＱAとの差Ｑ0−ＱAの圧油をタンク（７）に排出するように前記ブリード弁（６１）を制御すること
を特徴とする。
【００２０】
第４発明は、第１、第２発明において、
前記油圧アクチュエータ（４）と前記油圧モータ（３０）との間に方向制御弁（６２）を備え、
前記制御部（２５）は、目標流量Ｑ0と前記油圧モータに入力される戻り圧油の流量Ｑとの差Ｑ0−ＱAの圧油をタンク（７）に排出するように前記方向制御弁（６２）を制御すること
を特徴とする。
【００２１】
第３、第４発明によれば、第１発明で使用する油圧モータよりも応答性が遅い油圧モータを使用することができる。応答性が早い油圧モータを使用する場合と比較して応答性が遅い油圧モータを使用する場合はコストを低減できる。
【００２２】
また、油圧シリンダからの戻り圧油の一部をタンクへ排出することができるため、油圧シリンダからの戻り圧油の全てを油圧モータへ流す必要がなくなる。
【００２３】
したがって、油圧モータのサイズを小さくすることもできる。
【００２４】
第５発明は、第１、第２発明において、
前記油圧アクチュエータ（４）と前記油圧モータ（３０）との間にブリード弁（６１）と、方向制御弁（６２）と、を備え、
前記制御部（２５）は、目標流量Ｑ0と前記油圧モータ（３０）に入力される戻り圧油の流量Ｑとの差Ｑ0−ＱAの圧油をタンク（７）に排出するように前記ブリード弁（６１）及び前記方向制御弁（６２）を制御すること
を特徴とする。
【００２５】
第５発明によれば、第２、第３発明で使用する油圧モータよりも応答性が遅い油圧モータを使用することができる。応答性が早い油圧モータを使用する場合と比較して応答性が遅い油圧モータを使用する場合はコストを低減できる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明に係る圧油エネルギー回生装置の実施形態について説明する。
【００２７】
図１は第１の実施形態の油圧回路を示す。実施形態では油圧ショベルに搭載された油圧回路を想定している。
【００２８】
主油圧ポンプ１は可変容量型であって、エンジン２によって駆動される。なお、エンジン２はモータでもよい。
【００２９】
方向制御弁２１は操作レバー２４に対する操作に応じて主油圧ポンプ１から油圧シリンダ４への圧油の流出方向及び油圧シリンダ４からタンク７への圧油の流出方向を切り換える。また、方向制御弁２１は操作レバー２４に対する操作に応じてスプールの動作を調整し、戻り圧油の流量を制御する。
【００３０】
油圧シリンダ４は圧油室４ａ、４ｂを有し、主油圧ポンプ１から圧油室４ａ又は圧油室４ｂへの圧油の入力によってブーム５を動作させる。
【００３１】
回収弁２２は２つの切換位置を有する。一方の位置２２ａは方向制御弁２１のスプールの位置に応じて油圧シリンダ４の圧油室４ｂと主油圧ポンプ１又はタンク７とを連通し、他方の位置２２ｂは油圧シリンダ４の圧油室４ｂと油圧モータ３０とを連通する。回収弁２２はコントローラ２５からの位置切換信号Ｒに応じて切り換えられる。
【００３２】
なお、本実施形態では、方向制御弁２１、油圧シリンダ４、作業機５、回収弁２２がそれぞれ複数設けられており、複数の油圧シリンダ４から出力される戻り圧油のうち、コントローラ２４によって選択された一つの油圧シリンダ４から出力される戻り圧油のエネルギーのみが回収される。
【００３３】
可変容量型の油圧モータ３０と可変容量型の油圧ポンプ４０は回転軸同士が接続されている。油圧モータ３０は油圧シリンダ４の圧油室４ｂから出力される戻り圧油が入力されることによって回転し、油圧モータ３０の回転によって油圧ポンプ４０は回転する。なお、本明細書では油圧モータ３０と油圧ポンプ４０は斜板式であるとして説明するが、これに限るものではない。
【００３４】
容量変更部３１はシリンダ３１ａとピストン３１ｂとばね３１ｃとからなる。シリンダ３１ａ内には油圧モータ３０の斜板に接続されたピストン３１ｂが摺動自在に設けられている。ピストン３１ｂの一端には圧油の圧力が作用し、他端にはばね３１ｃのばね力が作用する。ピストン３１ｂの一端に作用する圧油の圧力が他端に作用するばね力よりも大きい場合に、ピストン３１ｂはシリンダ３１ａ内を摺動し、油圧モータ３０の斜板の傾転角が小さくなる。すると、油圧モータ３０の容量は小さくなる。ピストン３１ｂの一端に作用する圧油の圧力が他端に作用するばね力よりも小さい場合に、ピストン３１ｂはシリンダ３１ａ内を摺動し、油圧モータ３０の斜板の傾転角が大きくなる。すると、油圧モータ３０の容量は大きくなる。
【００３５】
なお、ピストン３１ｂの一端に作用する圧油の圧力が他端に作用するばね力よりも大きい場合に、油圧モータ３０の容量を大きくし、ピストン３１ｂの一端に作用する圧油の圧力が他端に作用するばね力よりも小さい場合に、油圧モータ３０の容量を小さくするように、容量変更部３１を構成してもよい。
【００３６】
電磁比例弁３３はコントローラ２５からの容量制御信号ＺAに応じて、圧力源１２から容量変更部３１への圧油の供給と容量変更部３１からタンク７への圧油の排出とを切り換えると共に、ピストン３１ｂに作用する圧油の圧力を制御する。
【００３７】
容量変更部４１の構成は容量変更部３１の構成と同等であり、電磁比例弁４３の構成は電磁比例弁３３の構成と同等であるため、それぞれの説明を省略する。
【００３８】
コントローラ２５は、各種センサ５１〜５６から信号を入力し、回収弁２２に位置切換信号Ｒを出力し、電磁比例弁３３、４３に容量制御信号ＺA、ＺBを出力する。油圧シリンダ４と油圧モータ３０との間に仮想の絞りを設けた場合を想定して、コントローラ２５には、操作レバー２４の変位量Ｘとその時の仮想の絞りの開口面積Ａとの関係が予め記憶される。この仮想の絞りの特性は方向制御弁２１のスプールの特性と同等にすることが望ましい。操作レバー２４の変位量Ｘと仮想の絞りの開口面積Ａは、
Ａ＝ｆ（Ｘ） ・・・ （１）
という関係式で表せる。コントローラ２５には（１）式が記憶される。なお、図１に示すように複数の作業機５が設けられており、複数の油圧シリンダ４から戻り圧油が出力される場合に、コントローラ２５は、最も流量が多い戻り圧油のみが油圧モータ３０に入力されるように、複数の回収弁２２の切換位置を制御する。
【００３９】
本油圧回路には各種センサ５１〜５６が設けられている。変位センサ５１は操作レバー２４の変位量Ｘを検出する。変位センサ５１はポテンショメータの一種である。回転センサ５２は油圧モータ３０及び油圧ポンプ４０の回転数ｎを検出する。圧力センサ５３は油圧モータ３０に入力される戻り圧油の圧力ＰAを検出する。圧力センサ５４は油圧ポンプ４０から吐出される圧油の圧力ＰBを検出する。ストロークセンサ５５はピストン３１ｂのストロークＳAを検出し、ストロークセンサ５６はピストン４１ｂのストロークＳBを検出する。
【００４０】
本実施形態による圧油エネルギー回収動作について説明する。
【００４１】
操作レバー２４に対して所定操作がなされた場合、方向制御弁２１は、主油圧ポンプ１と油圧シリンダ４の圧油室４ａとを連通する。また、回収弁２２は油圧シリンダ４の圧油室４ｂと油圧モータ３０とを連通する。すると、主油圧ポンプ１から吐出された圧油は方向制御弁２１を介して油圧シリンダ４の圧油室４ａに入力される。一方、圧油室４ｂからは戻り圧油が出力される。戻り圧油は回収弁２２を介して油圧モータ３０に入力される。さらに、油圧モータ３０の回転によって、油圧ポンプ４０が回転する。油圧ポンプ４０から吐出された圧油は、主油圧ポンプ１から吐出される圧油に合流される。
【００４２】
つぎに、上記圧油エネルギー回収動作の際に、コントローラ２５によって行われる各制御について説明する。
【００４３】
操作レバー２４に対する操作によって油圧シリンダ４の圧油室４ｂから戻り圧油が出力される場合、コントローラ２５から回収弁２２に位置切換信号Ｒが出力される。位置切換信号Ｒに応じて回収弁２２は位置２２ｂに切り換えられる。すると、戻り圧油は回収弁２２を介して油圧モータ３０に入力される。
【００４４】
コントローラ２５では、操作レバー２４の変位量Ｘと、上記（１）式によって、操作レバー２４の変位量Ｘに対応した仮想の絞りの開口面積Ａが演算される。つづいて、この開口面積Ａと、油圧シリンダ４から出力され油圧モータ３０に入力される戻り圧油の圧力ＰAと、絞りの一般公式Ｑ＝Ｃ・Ａ（√Ｐ）に基づいて、
Ｑ0＝Ｃ1・Ａ（√ＰA） ・・・ （２）
が演算される。（２）式において、Ｑ0は圧油室４ｂから出力される戻り圧油の目標流量であり、Ｃ1は流量係数である。つづいて、この戻り圧油の目標流量Ｑ0と、油圧モータ３０の回転数ｎによって、
ｑA0＝（Ｑ0／ｎ）・Ｃ2 ・・・ （３）
が演算される。（３）式において、ｑA0は目標流量Ｑ0の戻り圧油を入力する油圧モータ３０の目標容量であり、Ｃ2はモータ効率である。そして、油圧モータ３０の容量ｑAを目標容量ｑA0にすべく容量制御信号ＺAが生成され、電磁比例弁３３に出力される。
【００４５】
電磁比例弁３３は、容量制御信号ＺAに基づいて制御される。ｑA0＞ｑAの場合、容量制御信号ＺAは油圧モータ３０の容量を大きくする指令である。電磁比例弁３３は圧力源１２から出力される圧油の圧力を制御し、容量変更部３１のシリンダ３１ａに出力する。すると、ピストン３１ｂのストロークＳAが変化し、油圧モータ３０の容量ｑAが大きくなる。ｑA0＜ｑAの場合、容量制御信号ＺAは油圧モータ３０の容量を小さくする指令である。電磁比例弁３３は容量変更部３１のシリンダ３１ａ内の圧油をタンク７に排出する。すると、ピストン３１ｂのストロークＳAが変化し、油圧モータ３０の容量ｑAが小さくなる。ｑA0＝ｑAの場合、容量制御信号ＺAは現状を維持する指令である。
【００４６】
ピストン３１ｂのストロークＳAはコントローラ２５にフィードバックされる。ピストン３１ｂのストロークＳAと油圧モータ３０の容量ｑAは比例するため、ピストン３１ｂのストロークＳAによって油圧モータ３０の容量ｑAが演算される。そして、ｑA＝ｑA0となるように油圧モータ３０の容量制御が行われる。
【００４７】
油圧ポンプ４０の容量ｑＢは、油圧モータ３０の回転力によって回転可能な範囲で制御される。例えば、コントローラ２５では、油圧モータ３０の回転力によって回転可能な最大容量が、油圧モータ３０の容量ｑA、油圧モータ３０に入力される戻り圧油の圧力ＰA、油圧ポンプ４０から吐出される圧油の圧力ＰBを用いて演算され、目標容量ｑＢ0とされる。そして、油圧ポンプ４０の容量ｑBを目標容量ｑB0にすべく容量制御信号ＺBが生成され、電磁比例弁４３に出力される。
【００４８】
電磁比例弁４３は、容量制御信号ＺBに基づいて制御される。ｑB0＞ｑBの場合、容量制御信号ＺBは油圧ポンプ４０の容量を大きくする指令である。電磁比例弁４３は圧力源１２から出力される圧油の圧力を制御し、容量変更部４１のシリンダ４１ａに出力する。すると、ピストン４１ｂのストロークＳB が変化し、油圧ポンプ４０の容量ｑBが大きくなる。ｑB0＜ｑBの場合、容量制御信号ＺBは油圧ポンプ４０の容量を小さくする指令である。電磁比例弁４３は容量変更部４１のシリンダ４１ａ内の圧油をタンク７に排出する。すると、ピストン４１ｂのストロークＳBが変化し、油圧ポンプ４０の容量ｑBが小さくなる。ｑB0＝ｑBの場合、容量制御信号ＺBは現状を維持する指令である。
【００４９】
ピストン４１ｂのストロークＳBはコントローラ２５にフィードバックされる。ピストン４１ｂのストロークＳBと油圧ポンプ４０の容量ｑBは比例するため、ピストン４１ｂのストロークＳBによって油圧ポンプ４０の容量ｑBが演算される。そして、ｑB＝ｑB0となるように油圧ポンプ４０の容量制御が行われる。
【００５０】
第１の実施形態によれば、戻り圧油の流量を絞りで制御する場合と等しくなるように、エネルギー回収用の油圧モータの容量が制御されるため、戻り圧油の流量と圧力の関係はスプールの特性と同等になる。したがって、作業機のハンチングは抑制され、安定した操作性が得られる。
【００５１】
ところで、第１の実施形態では、コントローラ２５の容量制御信号ＺAに対して、応答性が早い油圧モータ３０が使用される場合を想定している。つぎに、コントローラ２５の容量制御信号ＺAに対して、応答性が遅い油圧モータ３０が使用された場合について、第２〜第４の実施形態として説明する。
【００５２】
図２は第２の実施形態の油圧回路を示す。図１と同一の構成要素には同一の符号を付している。
【００５３】
本実施形態は、第１の実施形態の構成にさらにブリード弁６１を加えた構成である。ブリード弁６１の開口面積Ａ1はスプールのストロークＹ1に応じて変化し、スプールはコントローラ２５からのストローク指令Ｙs1に応じて動作する。開口面積ＡとスプールのストロークＹとの間には図３に示すような関係がある。コントローラ２５では、ブリード弁６１の開口面積Ａ1が演算され、この開口面積Ａ1からスプールのストロークＹ1が特定され、ストロークＹ1に対応するストローク指令Ｙs1が生成される。
【００５４】
つぎに、本実施形態における圧油エネルギー回収動作の際に、コントローラ２５によって行われる各制御について説明する。
【００５５】
コントローラ２５の各制御のうち、油圧モータ３０及び油圧ポンプ４０の容量制御は第１の実施形態と同一である。本実施形態では、油圧モータ３０の応答性が遅いため、戻り圧油の目標流量Ｑ0と実際に油圧モータ３０で入力可能な流量ＱAとの間には余剰流量が発生する。そこで、一時的にその余剰流量がブリード弁６１でタンク７に排出され、戻り圧油の急激な圧力上昇が抑制される。
【００５６】
コントローラ２５では、油圧モータ３０の回転数ｎと、ピストン３１ｂのストロークＳAに基づいて演算した油圧モータ３０の容量ｑAとによって、
ＱA＝ｎ・ｑA・Ｃ2 ・・・ （４）
が演算される。（４）式において、ＱAは油圧モータ３０に入力される戻り圧油の流量である。
【００５７】
ブリード弁６１で排出すべき圧油の余剰流量は、目標ブリード流量Ｑ10として求められる。目標ブリード流量Ｑ10は、油圧モータ３０に入力される戻り圧油の流量ＱAと、圧油室４ｂから出力される戻り圧油の目標流量Ｑ0によって、
Ｑ10＝Ｑ0−ＱA ・・・ （５）
と表せる。また、目標ブリード流量Ｑ10は、絞りの一般公式Ｑ＝Ｃ・Ａ（√Ｐ）に基づいて、
Ｑ10＝Ｃ3・Ａ10（√ＰA） ・・・ （６）
とも表せる。（６）式において、Ａ10はブリード弁６１の目標開口面積であり、Ｃ3は流量係数である。（５）式、（６）式によって、
Ａ10＝（Ｑ0−ＱA）／｛Ｃ3（√ＰA）｝ ・・・ （７）
が演算される。そして、ブリード弁６１の開口面積Ａ1を目標開口面積Ａ10にすべくブリード弁６１のストロークＹ1が、図３によって求められる。さらに、ストロークＹ1に対応するストローク指令Ｙs1が生成され、ブリード弁６１に出力される。
【００５８】
こうして、ブリード弁６１のスプールはストローク指令Ｙs1に基づいて動作され、目標ブリード流量Ｑ10の戻り圧油がタンク７に排出される。そして、Ｑ0＝ｎ・ｑA・Ｃ2となった時点でブリード弁６１は閉止され、タンク７への戻り圧油の排出が停止される。
【００５９】
図４は第３の実施形態の油圧回路を示す。図１、図２と同一の構成要素には同一の符号を付している。
【００６０】
本実施形態は、第１の実施形態の２位置の回収弁２２に換えて、回収弁６２を設けた構成である。
【００６１】
回収弁６２は、スプールの位置に応じて、油圧シリンダ４の圧油室４ｂと主油圧ポンプ１又はタンク７とを連通し、又は油圧シリンダ４の圧油室４ｂと油圧モータ３０とを連通し、又は油圧シリンダ４の圧油室４ｂと主油圧ポンプ１又はタンク７とを連通すると共に油圧シリンダ４の圧油室４ｂと油圧モータ３０とを連通する。回収弁６２における方向制御弁２１側の開口面積Ａ2及び油圧モータ３０側の開口面積Ａ3はスプールのストロークＹ2に応じて変化し、スプールはコントローラ２５からのストローク指令Ｙs2に応じて動作する。開口面積ＡとスプールのストロークＹとの間には図５に示すような関係がある。コントローラ２５では、回収弁６２における方向制御弁２１側の開口面積Ａ2が演算され、この開口面積Ａ2からスプールのストロークＹ2が特定され、ストロークＹ2に対応するストローク指令Ｙs2が生成される。
【００６２】
本油圧回路には各種センサ５１〜５６に加えて圧力センサ５７、５８が設けられている。圧力センサ５７は油圧シリンダ４の圧油室４ｂから出力され、回収弁６２に入力される前の戻り圧油の圧力Ｐcylを検出する。圧力センサ５８は回収弁６２から出力され、タンク７に排出される戻り圧油の圧力Ｐsを検出する。各圧力センサ５７、５８で検出された圧力Ｐcyl、Ｐsはコントローラ２５に入力される。
【００６３】
つぎに、本実施形態における圧油エネルギー回収動作の際に、コントローラ２５によって行われる各制御について説明する。
【００６４】
コントローラ２５の各制御のうち、油圧モータ３０及び油圧ポンプ４０の容量制御は第１及び第２の実施形態と同一である。本実施形態では、油圧モータ３０の応答性が遅いため、戻り圧油の目標流量Ｑ0と実際に油圧モータ３０で入力可能な流量ＱAとの間には余剰流量が発生する。そこで、一時的にその余剰流量が回収弁６２でタンク７に排出され、戻り圧油の急激な圧力上昇が抑制される。
【００６５】
コントローラ２５では、油圧モータ３０の回転数ｎと、ピストン３１ｂのストロークＳAに基づいて演算した油圧モータ３０の容量ｑAとによって、
ＱA＝ｎ・ｑA・Ｃ2 ・・・ （４）
が演算される。（４）式において、ＱAは油圧モータ３０に入力される戻り圧油の流量である。
【００６６】
回収弁６２で排出すべき圧油の余剰流量は、目標ブリード流量Ｑ20として求められる。目標ブリード流量Ｑ20は、油圧モータ３０に入力される戻り圧油の流量ＱAと、圧油室４ｂから出力される戻り圧油の目標流量Ｑ0によって、
Ｑ20＝Ｑ0−ＱA ・・・ （８）
と表せる。また、目標ブリード流量Ｑ20は、絞りの一般公式Ｑ＝Ｃ・Ａ（√Ｐ）に基づいて、
Ｑ20＝Ｃ4・Ａ20｛√（Ｐcyl−Ｐs）｝ ・・・ （９）
とも表せる。（９）式において、Ａ20は回収弁６２における方向制御弁２１側の目標開口面積であり、Ｃ4は流量係数である。（８）式、（９）式によって、
Ａ20＝（Ｑ0−ＱA）／｛Ｃ4・√（Ｐcyl−Ｐs）｝ ・・・ （１０）
が演算される。そして、回収弁６２の開口面積Ａ2を目標開口面積Ａ20にすべく回収弁６２のストロークＹ2が、図５によって求められる。さらに、ストロークＹ2に対応するストローク指令Ｙs2が生成され、回収弁６２に出力される。
【００６７】
こうして、回収弁６２のスプールはストローク指令Ｙs2に基づいて動作され、目標ブリード流量Ｑ20の戻り圧油がタンク７に排出される。そして、Ｑ0＝ｎ・ｑA・Ｃ2となった時点で回収弁６２のタンク７側の開口が閉止され、タンク７への戻り圧油の排出が停止される。
【００６８】
なお、本実施形態では、圧力センサ５７、５８を用いず演算によって圧力Ｐcyl、Ｐsを求め、回収弁６２の目標開口面積Ａ20を求めることも可能である。以下でその説明をする。
【００６９】
油圧モータ３０で入力可能な流量ＱAは、絞りの一般公式Ｑ＝Ｃ・Ａ（√Ｐ）に基づいて、
ＱA＝Ｃ5・Ａ3・√（Ｐcyl−ＰA） ・・・ （１１）
Ｐcyl＝｛ＱA／（Ｃ5・Ａ3）｝２＋ＰA ・・・ （１２）
と表せる。（１１）、（１２）式において、Ａ3は回収弁６２における油圧モータ３０側の開口面積であり、Ｃ5は流量係数である。回収弁６２のスプールのストロークＹ2が求められれば、図５によってＡ3は求められる。
【００７０】
一方、方向制御弁２１におけるタンク７側の開口面積Ａ4及び方向制御弁２１のスプールのストロークＹ3には、図３に示すような関係がある。コントローラ２５には、変位センサ５１から出力される変位量Ｘと操作レバー２４のレバー変位との関係、操作レバー２４のレバー変位と方向制御弁２１に付与される圧力Ｐl1との関係、圧力Ｐl1とストロークＹ3との関係、ストロークＹ3と開口面積Ａ4との関係（図３）、が予め設定される。このため、変位量Ｘから開口面積Ａ4が演算可能である。
【００７１】
方向制御弁２１に関して目標ブリード流量Ｑ20は、
Ｑ20＝Ｃ6・Ａ4・√ＰS ・・・ （１３）
ＰS＝｛Ｑ20／（Ｃ6・Ａ4）｝２ ・・・ （１４）
と表され、（８）、（１４）式によって
ＰS＝｛（Ｑ0−ＱA）／（Ｃ6・Ａ4）｝２ ・・・ （１４）′
と表せる。（１３）、（１４）、（１４）′式、においてＣ6は流量係数である。
【００７２】
したがって、（１０）式に（１２）、（１４）′式を代入することによって、回収弁６２の目標開口面積Ａ20を求めることができる。このように、圧力センサ５７、５８を用いず演算によって圧力Ｐcyl、Ｐsを求め、回収弁６２の目標開口面積Ａ20を求めることも可能である。
【００７３】
第２、第３の実施形態によれば、第１の実施形態で使用する油圧モータよりも応答性が遅い油圧モータを使用することができる。応答性が早い油圧モータを使用する場合と比較して応答性が遅い油圧モータを使用する場合はコストを低減できる。
【００７４】
図６は第４の実施形態の油圧回路を示す。図１、図２、図４と同一の構成要素には同一の符号を付している。
【００７５】
本実施形態は、第２の実施形態と第３の実施形態を合わせた構成、つまり第１の実施形態にブリード弁６１と、回収弁６２とを備えた構成である。
【００７６】
各部の構成及び動作は第２の実施形態及び第３の実施形態と同じであるため、説明を省略する。
【００７７】
第４の実施形態によれば、第２、第３の実施形態で使用する油圧モータよりも応答性が遅い油圧モータを使用することができる。応答性が早い油圧モータを使用する場合と比較して応答性が遅い油圧モータを使用する場合はコストを低減できる。
【００７８】
なお、第１〜第４の実施形態では、エネルギー回収用の油圧モータ３０の回転軸にエネルギー回生用の油圧ポンプ４０の回転軸を接続している。しかし、油圧モータ３０の回転軸に他のアクチュエータを接続するようにしてもよい。例えば、図７に示すように、油圧モータ３０の回転軸にエンジン１の回転軸を接続し、主油圧ポンプ２の駆動を補助するようにすることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は第１の実施形態の油圧回路を示す図である。
【図２】図２は第２の実施形態の油圧回路を示す図である。
【図３】図３は開口面積とスプールのストロークとの関係を示す図である。
【図４】図４は第３の実施形態の油圧回路を示す図である。
【図５】図５は開口面積とスプールのストロークとの関係を示す図である。
【図６】図６は第４の実施形態の油圧回路を示す図である。
【図７】図７は第１〜第４の実施形態における他の実施形態を示す図である。
【図８】図８は従来の油圧回路を示す図である。
【図９】図９（ａ）はスプールの特性を示す図であり、図９（ｂ）は油圧モータの特性を示す図である。
【符号の説明】
４ 油圧シリンダ
２４ 操作レバー
２５ コントローラ
３０ 油圧モータ
４０ 油圧ポンプ
３１、４１ 容量変更部
３３、４３ 電磁比例弁
６１ ブリード弁
６２ 方向制御弁
Claims (5)
- 操作子（２４）の変位量に応じて速度が制御される油圧アクチュエータ（４）と、前記油圧アクチュエータ（４）から出力される戻り圧油が入力されて回転駆動するエネルギー回収用の油圧モータ（３０）とを備えた圧油エネルギー回収装置において、
前記操作子の変位量Ｘと仮想の絞りの開口面積Ａとの対応関係を予め記憶しておき、前記操作子に対する操作に応じて、その変位量Ｘに対応する前記仮想の絞りの開口面積Ａを求めると共に、求めた開口面積Ａと、戻り圧油の圧力Ｐと、絞りの一般公式Ｑ＝Ｃ・Ａ（√Ｐ）（Ｃは流量係数）と、を用いて戻り圧油の目標流量Ｑ0を演算し、前記油圧モータ（３０）の制御指令を出力する制御部（２５）と、
制御指令を入力し、目標流量Ｑ0の戻り圧油を入力すべく前記油圧モータ（３０）の容量を制御する制御機構（３１、３３）と、を備えたこと
を特徴とする圧油エネルギー回収装置。 - 操作子（２４）の操作量に応じて速度が制御される油圧アクチュエータ（４）と、前記油圧アクチュエータ（４）から出力される戻り圧油が入力されて回転駆動するエネルギー回収用の油圧モータ（３０）と、前記油圧モータ（３０）の回転力で駆動される回生用の油圧ポンプ（４０）とを備えた圧油エネルギー回収装置において、
前記操作子の変位量Ｘと仮想の絞りの開口面積Ａとの対応関係を予め記憶しておき、前記操作子に対する操作に応じて、その変位量Ｘに対応する前記仮想の絞りの開口面積Ａを求めると共に、求めた開口面積Ａと、戻り圧油の圧力Ｐと、絞りの一般公式Ｑ＝Ｃ・Ａ（√Ｐ）（Ｃは流量係数）と、を用いて戻り圧油の目標流量Ｑ0を演算し、前記油圧モータ（３０）と前記油圧ポンプ（４０）の制御指令を出力する制御部（２５）と、
制御指令を入力し、目標流量Ｑ0の戻り圧油を入力すべく前記油圧モータ（３０）の容量と前記油圧ポンプ（４０）の容量とを制御する制御機構（３１、３３、４１、４３）と、を備えたこと
を特徴とする圧油エネルギー回収装置。 - 前記油圧アクチュエータ（４）と前記油圧モータ（３０）との間にブリード弁（６１）を備え、
前記制御部（２５）は、目標流量Ｑ0と前記油圧モータ（３０）に入力される戻り圧油の流量ＱAとの差Ｑ0−ＱAの圧油をタンク（７）に排出するように前記ブリード弁（６１）を制御すること
を特徴とする請求項１又は請求項２記載の圧油エネルギー回収装置。 - 前記油圧アクチュエータ（４）と前記油圧モータ（３０）との間に方向制御弁（６２）を備え、
前記制御部（２５）は、目標流量Ｑ0と前記油圧モータに入力される戻り圧油の流量Ｑとの差Ｑ0−ＱAの圧油をタンク（７）に排出するように前記方向制御弁（６２）を制御すること
を特徴とする請求項１又は請求項２記載の圧油エネルギー回収装置。 - 前記油圧アクチュエータ（４）と前記油圧モータ（３０）との間にブリード弁（６１）と、方向制御弁（６２）と、を備え、
前記制御部（２５）は、目標流量Ｑ0と前記油圧モータ（３０）に入力される戻り圧油の流量Ｑとの差Ｑ0−ＱAの圧油をタンク（７）に排出するように前記ブリード弁（６１）及び前記方向制御弁（６２）を制御すること
を特徴とする請求項１又は請求項２記載の圧油エネルギー回収装置。
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