JP4867614B2 - 制御装置及びこれを備えた作業機械 - Google Patents

Description

本発明は、油圧ポンプによって駆動される油圧アクチュエータからの戻り油を、前記油圧ポンプの吐出側の油路に戻して回生する制御装置に関するものである。

一般に、油圧ショベル等の作業機械には、油圧シリンダや油圧モータ等の油圧アクチュエータが設けられている。

この種の油圧アクチュエータは、作動油の供給を受けるとともに作動油を排出することにより駆動されるため、当該油圧アクチュエータを停止させる操作を行ない実際に油圧アクチュエータが停止するまでの間には、駆動対象物の自重やそれまでの駆動による慣性力によって、油圧アクチュエータに供給された作動油よりも高圧の戻り油が油圧アクチュエータから排出されることになる。

従来、このような戻り油はタンクに回収されていたため、当該戻り油のもつエネルギーは他に利用されることなくそのまま廃棄されていた。特に、メータアウト制御を行う場合や油圧アクチュエータの背圧を保持する場合等においては、絞り弁等を介して戻り油をタンクに回収することが行われるため、このときの戻り油のエネルギーは熱として廃棄されることになる。

このような問題を解消すべく、例えば、特許文献１には、アクチュエータからの戻り油を油圧ポンプに駆動連結された油圧モータに導いて当該油圧モータを駆動することにより、前記戻り油を油圧ポンプの動力として利用する技術が開示されている。

しかし、この特許文献１の技術では、戻り油を利用するために油圧ポンプに対して別途油圧モータを駆動連結する必要が生じるため、油圧ポンプ周りのスペースを浪費するだけでなく、油圧モータを追加するのに大幅なコストの増大を引き起こすという問題があった。

そこで、特許文献２には、複数のアクチュエータのうちの一のアクチュエータから排出された戻り油を再生拡大弁を通してポンプの吐出側へ直接回収することにより、他のアクチュエータに対する作動油流量を増大させる技術が開示されている。

具体的に、特許文献２の技術では、前記一のアクチュエータの戻り油を当該一のアクチュエータの供給側に再生し、この再生時の余剰の戻り油の圧力が油圧ポンプの供給圧を上回ることにより前記再生拡大弁が開放されたときに、当該再生拡大弁を通して前記余剰の戻り油の全量が油圧ポンプの吐出側に再生される。
特開２００３−１２０６１６号公報 特開２００３−１２０６０４号公報

しかしながら、前記特許文献２の技術では、前記一のアクチュエータから排出された戻り油のうち前記余剰の戻り油の全量がそのまま油圧ポンプの吐出側へ回収されるので、前記一のアクチュエータから排出される戻り油に増減が生じると、その影響を受けて他のアクチュエータの駆動速度が変化してしまうという問題があった。

例えば、オペレータによる操作レバーの操作速度が急激に変化した場合や、前記一のアクチュエータに対する負荷が急激に変化した場合等、前記一のアクチュエータの駆動速度が変化すると、これに応じて当該アクチュエータから排出される戻り油の流量が変化するため、この戻り油を受け入れる他のアクチュエータの駆動速度もオペレータの意図とは無関係に変化してしまい、操作性が悪化する要因となっていた。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、油圧アクチュエータの駆動速度を維持しながら戻り油を有効に利用することができる制御装置及びこれを備えた作業機械を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明は、可変容量式の油圧ポンプから作動油の供給を受けるとともに内部の作動油を排出することにより駆動される複数の油圧アクチュエータを制御するための装置であって、これら油圧アクチュエータのうち少なくとも一つの特定のアクチュエータに対し前記油圧ポンプから作動油を供給するための供給油路と、前記特定のアクチュエータから排出された戻り油をタンクに導く戻り油路と、これら両油路内を流れる作動油の流量を同時に調整可能な給排調整部とを有する給排回路と、前記戻り油を前記給排調整部を介さずにタンクに導くように前記戻り油路から分岐する導出油路と、前記戻り油を前記給排調整部を介さずに前記供給油路へ導く回生油路と、前記導出油路及び回生油路を流れる前記戻り油の流量をそれぞれ調整可能な分配流量調整手段と、前記油圧ポンプから吐出される流量を調整可能な吐出流量調整部と、前記戻り油の圧力が油圧ポンプの吐出圧を超える外力付加期間中に、前記戻り油のうち回生油路に導くことができる回生流量とこの回生流量以外の余剰流量とを特定し、前記回生流量の戻り油を前記回生油路に導くとともにこの回生流量の分だけ油圧ポンプの吐出流量を減じる一方、前記余剰流量の戻り油が導出油路に導かれるように前記分配流量調整手段及び吐出流量調整部を制御する制御部とを備えていることを特徴とする制御装置を提供する。

本発明によれば、前記特定のアクチュエータからの戻り油のうち回生油路に供給することができる回生流量とこの回生流量以外の余剰流量とを特定した上で、余剰流量の戻り油が存在する場合に、この余剰流量の戻り油をタンクに導くように構成されているので、戻り油流量の大小に応じて油圧アクチュエータの駆動速度が変化する従来の技術と異なり、油圧ポンプに回生される戻り油を常に回生流量に維持することができる。

したがって、本発明によれば、油圧アクチュエータの駆動速度を維持しながら有効に戻り油を利用することができる。

具体的に、前記制御部は、前記供給油路へ戻り油を供給しない場合の油圧ポンプの目標流量から当該油圧ポンプに予め設定された最小吐出流量を減じた回生可能流量以下の流量を前記回生流量として特定する構成とすることができる。

このようにすれば、目標流量から油圧ポンプの最小吐出流量を減じた回生可能流量以下の流量で戻り油を回生油路へ供給することができるので、戻り油を回生油路へ供給した結果、油圧ポンプから各油圧アクチュエータへ吐出される全体の流量が前記目標流量を超えてしまうことを阻止することができる。

前記制御装置において、前記分配流量調整手段は、前記導出油路に設けられた導出弁と、前記回生油路に設けられた回生弁とを備え、前記制御部は、前記回生弁を予め設定された最大開口面積で開放したときの最大通過流量、及び前記回生可能流量のうち小さいもの以下の流量を前記回生流量として特定することが好ましい。

このようにすれば、回生弁の能力を超えた流量が前記回生流量として設定されるのを防止することができるので、当該回生弁の保護を図ることができる。

さらに、前記制御部は、前記供給油路へ戻り油を供給しない場合の前記特定のアクチュエータの駆動速度を所定の速度とするために前記導出弁を通じてタンクへ導くことが必要な戻り油の非回生流量を特定し、この非回生流量、前記最大通過流量及び回生可能流量のうち最も小さいものを前記回生流量として特定することが特に好ましい。

このようにすれば、前記導出弁をメータアウト制御用の流量調整手段として利用した場合に、その非回生流量、前記最大通過流量及び回生可能流量のうち最も小さなものを回生流量とすることにより、メータアウト制御の機能を確保しながら、回生油路へ戻り油を供給することが可能となる。

一方、前記戻り油路には、前記戻り油の圧力が所定の開放圧以上となったときに開放するリリーフ弁が設けられており、前記制御部は、前記供給油路へ戻り油を供給しない場合の戻り油圧が前記開放圧以上である場合に、この戻り油圧を前記開放圧未満とするために前記回生弁を通じて供給油路へ導くことが必要な前記戻り油の流量である非リリーフ流量を特定するとともに、この非リリーフ流量、前記最大通過流量及び回生可能流量のうち最も小さいものを前記回生流量として特定する構成とすることもできる。

このようにすれば、戻り油圧がリリーフ弁の開放圧まで上昇しない範囲で回生流量が設定されるので、戻り油のエネルギーがリリーフ弁を開放させるのに浪費されるのを防止して、当該戻り油を有効に活用することができる。

この場合、前記制御部は、前記戻り油の圧力が前記開放圧以下となった場合でも、予め設定された解除条件が成立するまでの間、前記非リリーフ流量、最大通過流量及び回生可能流量のうち最も小さなものを前記回生流量として前記供給油路へ供給する制御を継続することが好ましい。

このようにすれば、戻り油圧がリリーフ弁の開放圧付近の値で昇降する状況下で、開放圧以上又は以下となる度に制御内容を切り換える場合と異なり、作動油の回生流量を比較的安定した流量で維持することができるため、前記各油圧アクチュエータの駆動速度が不安定となるのを防止することができる。

具体的に、前記制御部は、前記外力付加期間中ではないと判定されたとき、又は、前記特定のアクチュエータの戻り油圧が前記油圧ポンプの吐出圧以下であると判定されたときに、前記解除条件が成立したと判定することが好ましい。

このようにすれば、戻り油を油圧ポンプの吐出側へ回生するための前提条件を満たさなくなったときを、前記解除条件が成立したときと判定することができる。

また、本発明は、旋回体と、可変容量式の油圧ポンプと、この油圧ポンプから作動油の供給を受けるとともに内部の作動油を排出することにより駆動される複数の油圧アクチュエータと、請求項１〜７の何れか１項に記載の制御装置とを備えた作業機械であって、前記油圧アクチュエータには、前記旋回体を駆動する油圧モータが含まれており、前記制御部は、旋回駆動に基づく前記旋回体の慣性力が付加されて前記油圧モータから排出される戻り油圧が当該油圧モータに供給される作動油圧を超える外力付加期間中に、前記戻り油のうち前記回生油路に導くことができる回生流量とこの回生流量以外の余剰流量とを特定し、前記回生流量の戻り油を前記回生油路に導くとともにこの回生流量の分だけ前記油圧ポンプの吐出流量を減じる一方、前記余剰流量の戻り油がタンクに導かれるように前記分配流量調整手段及び吐出量調整手段を制御することを特徴とする作業機械を提供する。

本発明によれば、前記油圧モータからの戻り油のうち回生油路に供給することができる戻り油の回生流量とこの回生流量以外の余剰流量とを特定した上で、余剰流量の戻り油が存在する場合に、この余剰流量の戻り油をタンクに導くように構成されているので、油圧ポンプに回生される戻り油を常に回生流量に維持することができる。

具体的に、旋回体を有する作業機械において、油圧モータには常に旋回駆動方向の旋回体の慣性力が付加されることになるため、旋回動作期間中には、油圧モータに供給される作動油圧よりも油圧モータから排出される作動油圧が大きくなる（外力付加期間が生じる）ことになるが、本発明では、この期間中に油圧モータからの戻り油を有効に利用することができる。

さらに、本発明は、作業アタッチメントと、可変容量式の油圧ポンプと、この油圧ポンプから作動油の供給を受けるとともに内部の作動油を排出することにより駆動される複数の油圧アクチュエータと、請求項１〜７の何れか１項に記載の制御装置とを備えた作業機械であって、前記油圧アクチュエータには、前記作業アタッチメントを駆動する油圧シリンダが含まれており、前記制御部は、前記作業アタッチメントの自重が付加されて前記油圧シリンダから排出される戻り油圧が当該油圧シリンダに供給される作動油圧を超える外力付加期間中に、前記戻り油のうち前記回生油路に導くことができる回生流量とこの回生流量以外の余剰流量とを特定し、前記回生流量の戻り油を前記回生油路に導くとともにこの回生流量の分だけ前記油圧ポンプの吐出流量を減じる一方、前記余剰流量の戻り油が導出油路に導かれるように前記分配流量調整手段及び吐出流量調整部を制御することを特徴とする作業機械を提供する。

本発明によれば、油圧シリンダからの戻り油のうち回生油路に供給することができる戻り油の回生流量とこの回生流量以外の余剰流量とを特定した上で、余剰流量の戻り油が存在する場合に、この余剰流量の戻り油をタンクに導くように構成されているので、油圧ポンプに回生される戻り油を常に回生流量に維持することができる。

具体的に、作業アタッチメントを有する作業機械において、油圧シリンダには常に作業アタッチメントを倒伏させる方向の力（作業アタッチメントの自重）が付加されていることになるため、倒伏動作期間中には、油圧シリンダに供給される作動油圧よりも油圧シリンダから排出される戻り油圧が大きくなる（外力付加期間が生じる）ことになるが、本発明では、この期間中に油圧シリンダから排出される戻り油を有効に活用することができる。

本発明によれば、前記特定のアクチュエータからの戻り油のうち回生油路に供給することができる回生流量とこの回生流量以外の余剰流量とを特定した上で、余剰流量の戻り油が存在する場合に、この余剰流量の戻り油をタンクに導くように構成されているので、戻り油流量の大小に応じて油圧アクチュエータの駆動速度が変化する従来の技術と異なり、油圧ポンプに回生される戻り油を常に回生流量に維持することができる。

したがって、本発明によれば、油圧アクチュエータの駆動速度を維持しながら有効に戻り油を利用することができる。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る油圧ショベルを示す側面図である。

図１を参照して、作業機械の一例としての油圧ショベル１は、クローラ２ａを有する下部走行体２と、この下部走行体２上に旋回可能に搭載された上部旋回体（旋回体）３と、この上部旋回体３に起伏可能に支持された作業アタッチメント４と、この作業アタッチメント４の駆動を制御する制御装置（図２参照）５とを備えている。

作業アタッチメント４は、ブーム６と、このブーム６の先端部に連結されるアーム７とから構成されており、そのアーム７の先端部にバケット８が揺動可能に取り付けられている。

ブーム６は、ブームシリンダ９の伸縮動作によって起伏し、アーム７は、アームシリンダ１０の伸縮動作によって揺動し、バケット８は、バケット用シリンダ１１の伸縮動作によってアーム７に対して揺動する。

下部走行体２には、旋回モータ１２（図２参照）が設けられ、この旋回モータ１２の回転駆動に応じて下部走行体２に対し上部旋回体３が垂直軸回りに旋回するようになっている。

すなわち、本実施形態では、各シリンダ９〜１１及び旋回モータ１２が油圧アクチュエータの一例を構成している。なお、以下の説明では、各シリンダ９〜１１及び旋回モータ１２を区別しないときには、アクチュエータ９〜１２と総称する。

図２は、図１の油圧ショベルに設けられた制御装置の電気的及び油圧的構成を示す回路図である。

図２を参照して、制御装置５は、前記シリンダ９〜１１及び旋回モータ１２を含む油圧回路１４と、この油圧回路１４における作動油の流通を電気的に制御するコントローラ（制御部）１５とを備えている。なお、図２では、シリンダ９〜１１を１つのシリンダとして模式的に示している。

油圧回路１４は、エンジン１６によって駆動される油圧ポンプ１７と、この油圧ポンプ１７から吐出された作動油をアクチュエータ９〜１２にそれぞれ供給するとともに、これらアクチュエータ９〜１２から排出された作動油をタンクＢ１に導くための給排回路１８と、この給排回路１８から分岐して旋回モータ１２から排出された戻り油をタンクＢ２に導くための導出油路１９と、この導出油路１９に設けられたメータアウト弁（以下、ＭＯ弁と称す：導出弁）２０と、前記給排回路１８に設けられた回生回路２１とを備えている。

油圧ポンプ１７は、可変容量式のポンプであり、その傾転調整用のレギュレータ（吐出流量調整部）２２を備えている。このレギュレータ２２は、後述するコントローラ１５に電気的に接続されている。

給排回路１８は、前記油圧ポンプ１７から吐出された作動油をコントロールバルブ（給排調整部）２３を介してアクチュエータ９〜１２へ供給するとともに、これらアクチュエータ９〜１２から排出された作動油をコントロールバルブ２３を介してタンクＢ１に導くようになっている。

具体的に、給排回路１８は、油圧ポンプ１７とコントロールバルブ２３とを連結する吐出油路２４と、コントロールバルブ２３と各シリンダ９〜１１のロッド側ポートとを連結するロッド側油路２５と、コントロールバルブ２３と各シリンダ９〜１１のヘッド側ポートとを連結するヘッド側油路２６と、コントロールバルブ２３と旋回モータ１２の両ポートに接続される第一油路２７及び第二油路２８（それぞれ供給油路又は戻り油路の一例）と、コントロールバルブ２３とタンクＢ１とを連結する回収油路２９と、前記コントロールバルブ２３に対しパイロット圧を供給するための操作レバー３０とを備えている。

吐出油路２４には、前記油圧ポンプ１７による作動油の吐出圧を検出可能な圧力センサ３１が設けられている。この圧力センサ３１は、後述するコントローラ１５に電気的に接続されている。

第一油路２７及び第二油路２８には、前記旋回モータ１２に供給される作動油圧又は旋回モータ１２から排出される戻り油圧を検出可能な第一センサ３２及び第二センサ３３がそれぞれ設けられている。また、第一油路２７及び第二油路２８には、旋回モータ１２に給排される作動油圧が予め設定された開放圧（開放圧）以上となったときに開放して当該作動油をタンクＢ３へ導くためのリリーフ弁３４が設けられている。

操作レバー３０は、オペレータによる操作に応じて前記コントロールバルブ２３に対するパイロット圧を調整することが可能とされており、当該操作に応じた電気信号Ｏ１が後述するコントローラ１５に出力されるようになっている。

導出油路１９は、前記第一油路２７及び第二油路２８からそれぞれ分岐した一対の油路であり、これらの油路がＭＯ弁２０に接続されている。このＭＯ弁２０は、図外の弁体を備えており、この弁体の開度を調整することにより前記導出油路１９からタンクＢ２への作動油流量を調整することが可能とされている。なお、前記弁体の開度は、後述するコントローラ１５から出力される電気的信号に応じて操作される。

回生回路２１は、前記第一油路２７及び第二油路２８からそれぞれ分岐する一対の分岐油路３５及び分岐油路３６と、これら分岐油路３５、３６が合流した合流油路３７とを備え、この合流油路３７が前記吐出油路２４に連結されている。なお、本実施形態では、分岐油路３５、３６及び合流油路３７が回生油路の一例を構成している。

分岐油路３５には、前記第一油路２７から合流油路３７へ向かう作動油の流れを許容する一方、反対向きの流れを阻止するチェック弁３８が設けられている。一方、分岐油路３６には、前記第二油路２８から合流油路３７へ向かう作動油の流れを許容する一方、反対向きの流れを阻止するチェック弁３９が設けられている。

合流油路３７には、各分岐油路３５、３６から吐出油路２４へ向かう作動油の流量を調整することが可能な回生弁４０が設けられている。この回生弁４０は、図外の弁体を備えており、この弁体の開度を調整することにより前記各分岐油路３５、３６から吐出油路２４への作動油流量を調整することが可能とされている。なお、前記弁体の開度は、後述するコントローラ１５から出力される電気的信号に応じて操作される。さらに、合流油路３７には、前記回生弁４０と吐出油路２４との間に、チェック弁４１が設けられている。このチェック弁４１は、前記回生弁４０から吐出油路２４へ向かう作動油の流れを許容する一方、反対向きの流れを阻止するようになっている。

一方、前記コントローラ１５は、前記第一センサ３２により検出された圧力Ｐ１、第二センサ３３により検出された圧力Ｐ２、前記圧力センサ３１により検出された圧力Ｐ３、前記操作レバー３０の操作に応じた信号Ｏ１、及び回転数センサ４２により検出された前記エンジン１６の回転数Ｒ１が入力され、これらの情報に基づいて前記ＭＯ弁２０、レギュレータ２２、及び回生弁４０を制御するための情報を以下のように特定する。なお、以下の説明では、前記第二油路が旋回モータ１２の排出側となっている場合（すなわち、圧力Ｐ２が旋回モータ１２の戻り油圧である場合）を例に挙げて説明する。

（１）油圧ポンプ１７の目標傾転ｑ１
コントローラ１５は、前記操作レバー３０からの入力信号Ｏ１と、予め記憶された図４に示すマップとに基づいて、目標とすべき油圧ポンプ１７の傾転ｑ１を特定する。

（２）回生を行わないときのＭＯ弁２０の開口面積Ａ１
コントローラ１５は、前記操作レバー３０からの入力信号Ｏ１と、予め記憶された図５に示すマップとに基づいて、回生を行わないときのＭＯ弁２０の開口面積Ａ１（以下、非回生開口面積Ａ１と称す）を特定する。

（３）非回生開口面積Ａ１としたときにＭＯ弁２０を流れる作動油の流量Ｑ１
Ｑ１＝Ｃｖ×Ａ１×√（２ｇ×Ｐ２÷γ）・・・［１］
コントローラ１５は、上記式［１］を用い、前記非回生開口面積Ａ１及び旋回モータ１２の戻り油圧Ｐ２に基づいて、回生が行なわれないときにＭＯ弁２０を流れる流量Ｑ１（以下、非回生流量Ｑ１と称す）を算出する。なお、Ｃｖは、流量係数であり、ｇは、重力加速度であり、γは、作動油の比重である。

（４）油圧ポンプ１７の傾転を最小としたときに回生可能な流量Ｑ２
Ｑ２＝（ｑ１−ｑmin）×Ｒ１・・・［２］
コントローラ１５は、上記式［２］を用い、前記目標傾転ｑ１及びエンジン回転数Ｒ１に基づいて、油圧ポンプ１７に予め設定された最小傾転ｑminとしたときに回生可能となる流量Ｑ２（以下、回生可能流量Ｑ２と称す）。

（５）回生弁４０で流すことのできる最大の流量Ｑ３
Ｑ３＝Ｃｖ×Ａmax×√（２ｇ×Ｐ２÷γ）・・・［３］
コントローラ１５は、上記式［３］を用い、前記回生弁４０を予め設定された最大開口面積Ａmaxとしたときに当該回生弁４０を流れる流量（以下、最大流量Ｑ３と称す）を算出する。

さらに、コントローラ１５は、その他の数値の算出も行うが、その点については以下の具体的な処理内容と併せて説明する。

図３は、コントローラ１５により実行される処理を示すフローチャートである。

図３を参照して、処理が実行されると、前記操作レバー３０からの入力信号Ｏ１と、図４に示すマップとに基づいて、目標傾転ｑ１を特定し（ステップＳ１）、この目標傾転ｑ１と、図５に示すマップとに基づいて、ＭＯ弁２０の非回生開口面積Ａ１を特定する（ステップＳ２）。

すなわち、このステップＳ２では、メータアウト制御用の開口面積を特定する。具体的に、図５のマップは、油圧ポンプ１７が特定の傾転に操作された際に設定されるべき旋回モータ１２の駆動速度に基づいて、当該駆動速度を実現するためのＭＯ弁２０の開口面積が規定されている。

次いで、前記非回生開口面積Ａ１としたときにＭＯ弁２０を流れる非回生流量Ｑ１を前記［１］式に従い算出するとともに（ステップＳ３）、予め設定された最小傾転ｑminとしたときの油圧ポンプ１７に対する回生可能流量Ｑ２を前記［２］式に従い算出する（ステップＳ４）。

次に、回生弁４０を予め設定された開口面積Ａmaxとしたときに当該回生弁４０に流すことができる最大流量Ｑ３を前記［３］式に従って算出する（ステップＳ５）。

そして、旋回モータ１２への流入圧Ｐ１よりも流出圧（戻り油圧）Ｐ２の方が大きいか否か、すなわち、旋回モータ１２が減速動作期間中にあって上部旋回体３に付加される慣性力により旋回モータ１２に供給される流入圧Ｐ１よりも旋回モータ１２から排出される戻り油圧Ｐ２が大きくなる外力付加期間中にあるか否かが判定される（ステップＳ６）。

このステップＳ６で外力付加期間中にあると判定されると（ステップＳ６でＹＥＳ）、旋回モータ１２からの戻り油圧Ｐ２が油圧ポンプ１７の吐出圧Ｐ３よりも大きいか否か、すなわち、旋回モータ１２からの戻り油を油圧ポンプ１７の吐出側に回生することができるか否かを判定する（ステップＳ７）。

このステップＳ７で回生することができないと判定された場合（ステップＳ７でＮＯ）、及び前記ステップＳ６で外力付加期間中にはないと判定された場合（ステップＳ６でＮＯ）には、それぞれ非回生処理Ｔが実行される。

図６は、図３の非回生処理Ｔの処理内容を示すフローチャートである。

図６を参照して、非回生処理Ｔでは、まず、回生弁４０が全閉状態とされ、前記合流油路３７を通した作動油の流通が遮断される（ステップＴ１）。

次いで、ＭＯ弁２０の開口面積を前記ステップＳ２で特定された非回生開口面積Ａ１に調整する（ステップＴ２）。これにより、前記ステップＴ１で回生弁４０が全閉とされた状態において旋回モータ１２がメータアウト制御されることになる。

そして、油圧ポンプ１７の傾転を前記目標傾転ｑ１とすることにより（ステップＴ３）、オペレータによる操作レバー３０の操作に応じた旋回モータ１２の駆動を実現するための傾転が設定されることになる。

再び図３を参照して、前記ステップＳ７で旋回モータ１２からの戻り油を油圧ポンプ１７の吐出側へ回生可能であると判定された場合（ステップＳ７でＹＥＳ）には、前記リリーフ弁３４の開放圧Ｐ４が旋回モータ１２の戻り油圧Ｐ２以上であるか否かが判定される（ステップＳ８）。つまり、このステップＳ８では、旋回モータ１２の戻り油圧Ｐ２がそのまま維持されたときに、リリーフ弁３４が開放されるか否かを判定する。

このステップＳ８で旋回モータ１２の戻り油圧Ｐ２が開放圧Ｐ４よりも大きいと判定されると（ステップＳ８でＮＯ）、第一回生処理Ｕが実行される一方、開放圧Ｐ４が旋回モータ１２の戻り油圧Ｐ２以上であると判定されると（ステップＳ８でＹＥＳ）、第二回生処理Ｖが実行される。

図７は、図３の第一回生処理Ｕの処理内容を示すフローチャートである。

図７を参照して、第一回生処理Ｕが実行されると、リリーフ弁３４が開放しないために設定すべき回生弁４０の流量Ｑ４（以下、非リリーフ回生弁流量Ｑ４と称す）を算出する（ステップＵ１）。

Ｑ４＝Ｑ１＋Ｇ×（Ｐ２−Ｐ４）・・・［４］
具体的に、このステップＵ１では、上記式［４］に従い、ＭＯ弁２０の流量が前記被回生流量Ｑ１に設定されている場合に、旋回モータ１２の戻り油圧Ｐ２を前記開放圧Ｐ４以下に下げるための非リリーフ回生弁流量Ｑ４を算出する。なお、Ｇは、制御ゲインであり、例えば、Ｇ＝ｑmax×Ｒ１／（Ｐ４×０．１０）とすれば、Ｐ２をＰ４に対し＋１０％の範囲内に収めることができる。なお、ｑmaxは、油圧ポンプ１７の最大傾転である。

次いで、前記回生可能流量Ｑ２、回生弁４０の最大流量Ｑ３、及び非リリーフ回生弁流量Ｑ４のうち最小の流量Ｑmin１を特定し（ステップＵ２）、この最小流量Ｑmin１が回生弁４０を流れるための回生弁４０の開口面積Ａ２を算出し、回生弁４０を開口面積Ａ２に調整する（ステップＵ３）。

Ａ２＝Ｑmin１÷｛Ｃｖ×√（２ｇ×Ｐ２÷γ）｝・・・［５］
具体的に、このステップＵ３では、上記式［５］に従い、前記Ｑmin１が回生弁４０を流れるための開口面積Ａ２を算出し、回生弁４０を開口面積Ａ２に調整する。ここで、回生可能流量Ｑ２、最大流量Ｑ３、及び非リリーフ回生弁流量Ｑ４のうちの最小流量Ｑmin１を回生弁４０に流すことにしているのは、これら流量Ｑ２〜Ｑ４の最小のものが、油圧ポンプ１７に回生することができる流量の最大値を規定しているためであり、これら流量Ｑ２〜Ｑ４の何れかよりも大きな流量とすることは事実上不可能だからである。

次に、回生弁４０を流れない作動油を流すための前記ＭＯ弁２０の開口面積Ａ３を算出し、ＭＯ弁２０を開口面積Ａ３に調整する（ステップＵ４）。

Ａ３＝（Ｑ１−Ｑmin１）÷｛Ｃｖ×√（２ｇ×Ｐ２÷γ）｝・・・［６］
具体的に、このステップＵ４では、上記式［６］に従い、回生弁４０を流れない作動油の流量（Ｑ１−Ｑmin１）を流すためのＭＯ弁２０の開口面積Ａ３を算出し、ＭＯ弁２０を開口面積Ａ３に調整する。このようにＭＯ弁２０を開口面積Ａ３に調整することにより、旋回モータ１２の戻り油圧Ｐ２がリリーフ弁３４の開放圧Ｐ４を超えるのを阻止することができる。

そして、前記のように回生された流量Ｑmin１の分だけ、油圧ポンプ１７の流量を減らすために、当該油圧ポンプ１７の傾転ｑ２を算出し、油圧ポンプ１７の傾転を傾転ｑ２に調整する（ステップＵ５）。

ｑ２＝ｑ１−Ｑmin１÷Ｒ１・・・［７］
具体的に、このステップＵ５では、上記式［７］に従い、前記最小流量Ｑmin１が回生された分だけ油圧ポンプ１７の流量が減るように、この流量Ｑmin１に対応する傾転（Ｑmin１÷Ｒ１）を前記目標傾転ｑ１から減じることにより、新たな傾転ｑ２を算出し、油圧ポンプ１７の傾転を傾転ｑ２に調整する。

つまり、上記ステップＵ１〜Ｕ５では、リリーフ弁３４が開放されないように回生弁４０及びＭＯ弁２０を開口面積Ａ２及びＡ３に調整した上で、回生弁４０から回生される流量の分だけ油圧ポンプ１７の流量を減じることにより、回生弁４０からの回生流量の大小にかかわらず油圧ポンプ１７からコントロールバルブ２３へ吐出される流量を一定に保つことができる。そして、このように流量を一定に保つ制御は、以下のステップＵ６、Ｕ７に示す解除条件が成立するまで継続されることになる。

具体的に、ステップＵ６では、旋回モータ１２からの戻り油圧Ｐ２が旋回モータ１２への流入圧Ｐ１よりも大きいか否かが判定され、戻り油圧Ｐ２が流入圧Ｐ１よりも大きいと判定されると（ステップＵ６でＹＥＳ）、続くステップＵ７では、旋回モータ１２からの戻り油圧Ｐ２が油圧ポンプ１７の吐出圧Ｐ３よりも大きいか否かが判断される。

これらステップＵ６、Ｕ７の判定がそれぞれＮＯと判定されると、前記図２のステップＳ６を繰り返し実行する一方、それぞれＹＥＳと判定されると、前記ステップＵ１を繰り返し実行する。

つまり、前記ステップＵ６、Ｕ７では、仮に旋回モータ１２からの戻り油圧Ｐ２がリリーフ弁３４の開放圧Ｐ４よりも小さくなっている場合であっても最低限回生を行うことができる条件を満たしている場合には（ステップＵ６、Ｕ７でＹＥＳ）、上記ステップＵ１〜Ｕ５を継続して実行することにより、油圧ポンプ１７の吐出側に回生する流量の安定化を図るようにしている。換言すると、旋回モータ１２からの戻り油圧Ｐ２が前記開放圧Ｐ４付近で昇降して前記ステップＳ８の成立、不成立が繰り返される状況において、その都度第一回生処理と第二回生処理とを切り換えると油圧ポンプ１７へ回生される戻り油の流量が不安定となることがあるため、前記解除条件が成立するまでの間、継続して第二回生処理を行なうようにしている。なお、本実施形態では、ステップＵ６、Ｕ７の双方を解除条件として設定しているが、これらステップのうち何れか一方のみを解除条件とすることもできる。

以下、図８を参照して第二回生処理Ｖについて説明する。図８は、図３の第二回生処理Ｖの処理内容を示すフローチャートである。

第二回生処理Ｖが実行されると、前記非回生流量Ｑ１、回生可能流量Ｑ２、及び回生弁４０の最大流量Ｑ３のうち最小の流量Ｑmin２を特定し（ステップＶ１）、この最小流量Ｑmin２が回生弁４０を流れるための回生弁４０の開口面積Ａ４を算出し、回生弁４０を開口面積Ａ４に調整する（ステップＶ２）。

Ａ４＝Ｑmin２÷｛Ｃｖ×√（２ｇ×Ｐ２÷γ）｝・・・［８］
具体的に、このステップＶ２では、上記式［８］に従い、前記Ｑmin２が回生弁４０を流れるための開口面積Ａ４を算出し、回生弁４０を開口面積Ａ４に調整する。ここで、非回生流量Ｑ１、回生可能流量Ｑ２、及び最大流量Ｑ３のうち最小流量Ｑmin２を回生弁４０に流すことにしているのは、これら流量Ｑ１〜Ｑ３の最小のものが、油圧ポンプ１７に回生することができる流量の最大値を規定しているためであり、これら流量Ｑ１〜Ｑ３の何れかよりも大きな流量とすることは事実上不可能だからである。

次に、回生弁４０を流れない作動油を流すためのＭＯ弁２０の開口面積Ａ５を算出し、ＭＯ弁を開口面積Ａ５に調整する（ステップＶ３）。

Ａ５＝（Ｑ１−Ｑmin２）÷｛Ｃｖ×√（２ｇ×Ｐ２÷γ）｝・・・［９］
具体的に、このステップＶ３では、上記式［９］に従い、回生弁４０を流れない作動油の流量（Ｑ１−Ｑmin２）を流すためのＭＯ弁２０の開口面積Ａ５を算出し、ＭＯ弁２０を開口面積Ａ５に調整する。このようにＭＯ弁２０を開口面積Ａ５に調整することにより、前記回生弁４０に最小流量Ｑmin２を流しながら、残りの戻り油をＭＯ弁２０に流すことが可能となる。

そして、前記のように回生された流量Ｑmin２の分だけ、油圧ポンプ１７の流量を減らすために、当該油圧ポンプ１７の傾転ｑ３を算出し、油圧ポンプ１７の傾転を傾転ｑ３に調整する（ステップＶ４）。

ｑ３＝ｑ１−Ｑmin２÷Ｒ１・・・［１０］
具体的に、このステップＶ４では、上記式［１０］に従い、前記最小流量Ｑmin２が回生された分だけ油圧ポンプ１７の流量が減るように、この流量Ｑmin２に対応する傾転（Ｑmin２÷Ｒ１）を前記目標傾転ｑ１から減じることにより、新たな傾転ｑ２を算出し、油圧ポンプ１７の傾転を傾転ｑ２に調整する。

以上説明したように、前記実施形態によれば、ステップＵ２及びステップＶ１のように旋回モータ１２からの戻り油のうち回生回路２１に供給することができる回生流量（最小流量Ｑmin１又はＱmin２）を特定することができるとともに、ステップＵ４及びステップＶ３のように前記回生流量以外の余剰流量［（Ｑ１−Ｑmin１）又は（Ｑ１−Ｑmin２）］を特定することができる。

そして、前記実施形態では、これら回生流量及び余剰流量を特定した上で、余剰流量の戻り油が存在する場合に、この余剰流量の戻り油をタンクＢ３に導くように構成されているので、油圧ポンプ１７に回生される戻り油を常に回生流量に維持することができる。

前記実施形態のステップＵ２及びステップＶ１ように、回生可能流量Ｑ２以下の流量で戻り油を回生回路２１へ供給する構成とすれば、戻り油を油圧ポンプ１７の吐出油路２４に供給した結果、油圧ポンプ１７から各アクチュエータ９〜１２へ吐出される全体の流量が油圧ポンプ１７に要求されている目標流量（ｑ１×Ｒ１）を超えてしまうことを阻止することができる。

前記実施形態のステップＵ２及びステップＶ１のように、回生弁４０の最大流量Ｑ３及び前記回生可能流量Ｑ２のうち小さい流量以下の流量を回生流量として特定する構成とすれば、回生弁４０の能力を超えた流量が回生流量として設定されるのを防止することができるので、当該回生弁４０の保護を図ることができる。

前記実施形態のステップＶ１のように、ＭＯ弁２０の非回生流量Ｑ１、回生可能流量Ｑ２、及び最大流量Ｑ３のうち最も小さい流量Ｑmin２を回生流量に設定する構成とすれば、メータアウト制御の機能を確保しながら、油圧ポンプ１７の吐出油路２４へ戻り油を供給することが可能となる。

前記実施形態のステップＵ２のように、リリーフ弁３４が開放しないために設定すべき回生弁４０の流量Ｑ４、前記回生可能流量Ｑ２、及び前記最大流量Ｑ３のうちの最小の流量Ｑmin１を回生流量に設定する構成とすれば、戻り油圧Ｐ２が開放圧Ｐ４まで上昇しない範囲で回生流量が設定されるので、戻り油のエネルギーがリリーフ弁３４を開放させるのに浪費されるのを防止して、当該戻り油を有効に活用することができる。

前記実施形態のステップＵ６、Ｕ７のように、予め設定された解除条件が成立するまでの間、最小流量Ｑmin１を回生流量として設定する構成とすれば、戻り油圧Ｐ２が開放圧Ｐ４付近の値で昇降する状況下で、開放圧Ｐ４以上又は以下となる度に第一回生処理Ｕ、第二回生処理Ｖを切り換える場合と異なり、回生流量を比較的安定した流量で維持することができるため、各アクチュエータ９〜１２の駆動速度が不安定となるのを防止することができる。

なお、前記実施形態では、旋回モータ１２からの戻り油を油圧ポンプ１７の吐出側に回生する構成について説明しているが、図９に示すように、シリンダ９〜１１からの戻り油を油圧ポンプ１７に回生することもできる。

図９は、別の実施形態に係る制御装置の電気的及び油圧的構成を示す回路図である。

図９を参照して、本実施形態の制御装置４３は、シリンダ９〜１１及び旋回モータ１２を含む油圧回路４４と、前記コントローラ１５とを備えている。以下、前記実施形態と重複する部分の説明は省略する。

油圧回路４４は、前記ヘッド側油路２６から分岐してシリンダ９〜１１のヘッド側室から流出した戻り油をタンクＢ２に導くための導出油路４５と、この導出油路４５に設けられたＭＯ弁（導出弁）４６と、前記ヘッド側油路２６と前記吐出油路２４との間に設けられた回生回路４７と、前記ヘッド側油路２６内の油圧を検出する圧力センサ４８と、前記ヘッド側油路２６及びロッド側油路２５にそれぞれ設けられたリリーフ弁５２及びリリーフ弁５３とを備えている。

導出油路４５及びＭＯ弁４６は、シリンダ９〜１１から排出される戻り油の流量を調整することにより、当該シリンダ９〜１１の駆動速度を調整するようになっている。特に、シリンダ９〜１１は、図１に示すように、ロッド短縮方向にブーム６、アーム７又はバケット８の自重が付加される構成とされているため、下降動作から停止させる場合、シリンダ９〜１１には、油圧ポンプ１７から供給される作動油流量よりも戻り油流量の方が大きくなる外力付加期間が生じることになる。このような場合に前記ＭＯ弁４６により戻り油流量を減ずることによりリンダ９〜１１の短縮動作が必要以上に速くなるのを防止することができる。

回生回路４７は、前記ヘッド側油路２６から分岐して前記吐出油路２４に合流する回生油路４９を備えている。

回生油路４９には、前記ヘッド側油路２６から吐出油路２４へ向かう作動油の流量を調整することが可能な回生弁５０が設けられている。さらに、回生油路４９には、前記回生弁５０と吐出油路２４との間に、チェック弁５１が設けられている。このチェック弁５１は、回生弁５０から吐出油路２４に向かう作動油の流れを許容する一方、反対向きの流れを阻止するようになっている。なお、本実施形態では、ヘッド側油路２６に回生回路４７を備えた構成について説明しているが、シリンダ９〜１１のロッド伸張時に外力付加期間が生じるように構成した場合には、ロッド側油路２５に回生回路４７を設けることができる。

圧力センサ４８は、ヘッド側油路２６内の油圧Ｐ２を検出し、これをコントローラ１５に出力するようになっている。

リリーフ弁５２、５３は、予め設定されたヘッド側油路２６及びロッド側油路２５内の圧力が開放圧Ｐ４以上となったときにそれぞれ開放して、タンクＢ３に導くようになっている。

以下、本実施形態におけるコントローラ１５により実行される処理について説明する。

図１０は、図９の実施形態のコントローラによる処理を示すフローチャートである。

図１０を参照して、コントローラ１５による処理が実行されると、前記実施形態の図３に示すステップＳ１〜Ｓ５の処理が実行され、次いで、前記操作レバー３０からの入力信号Ｏ１に基づいてシリンダ９〜１１がロッド短縮期間中にあるか否かが判定される（ステップＳ６１）。

このステップＳ６１でロッド短縮期間中であると判定されると（ステップＳ６１でＹＥＳ）、シリンダ９〜１１からの戻り油圧Ｐ２が油圧ポンプ１７の吐出圧よりも大きいか否か、すなわち、シリンダ９〜１１からの戻り油を油圧ポンプ１７の吐出側に回生することができるか否かが判定される（ステップＳ７１）。

このステップＳ７１で回生することができないと判定された場合（ステップＳ７１でＮＯ）、及び前記ステップＳ６１でロッド伸張期間中にはないと判定された場合（ステップＳ６１でＮＯ）には、それぞれ前記非回生処理Ｔが実行される。

一方、前記ステップＳ７１で回生することができると判定されると（ステップＳ７１でＹＥＳ）、シリンダ９〜１１からの戻り油圧Ｐ２がリリーフ弁５２の開放圧Ｐ４以下であるか否かを判定する（ステップＳ８１）。

このステップＳ８１でシリンダ９〜１１からの戻り油圧Ｐ２が開放圧Ｐ４よりも大きいと判定されると（ステップＳ８１でＮＯ）、前記第一回生処理Ｕが実行される一方、シリンダ９〜１１からの戻り油圧Ｐ２が開放圧Ｐ４以下であると判定されると（ステップＳ８１でＹＥＳ）、第二回生処理Ｖが実行される。

本発明の実施形態に係る油圧ショベルを示す側面図である。 図１の油圧ショベルに設けられた制御装置の電気的及び油圧的構成を示す回路図である。 コントローラにより実行される処理を示すフローチャートである。 操作レバーの操作量とポンプ傾転との関係を示すマップである。 操作レバーの操作量とＭＯ弁開口面積との関係を示すマップである。 図３の非回生処理Ｔの処理内容を示すフローチャートである。 図３の第一回生処理Ｕの処理内容を示すフローチャートである。 図３の第二回生処理Ｖの処理内容を示すフローチャートである。 別の実施形態に係る制御装置の電気的及び油圧的構成を示す回路図である。 図９の実施形態のコントローラによる処理を示すフローチャートである。

符号の説明

Ｂ３ タンク
Ｐ１ 流入圧
Ｐ２ 戻り油圧
Ｐ４ 開放圧
Ｑmax１、Ｑmin２ 最小流量（回生流量）
Ｑ１ 非回生流量
Ｑ２ 回生可能流量
Ｑ３ 最大流量
Ｑ４ 非リリーフ回生弁流量
Ｕ 第一回生処理
Ｖ 第二回生処理
１ 油圧ショベル（作業機械）
３ 上部旋回体（旋回体）
５、４３ 制御装置
９ ブームシリンダ（油圧アクチュエータ）
１０ アームシリンダ（油圧アクチュエータ）
１１ バケット用シリンダ（油圧アクチュエータ）
１２ 旋回モータ（特定のアクチュエータ）
１５ コントローラ（制御部）
１７ 油圧ポンプ
１９、４５ 導出油路
２０、４６ ＭＯ弁（導出弁）
２２ レギュレータ（吐出流量調整部）
３４、５２ リリーフ弁
３５、３６ 分岐油路（回生油路）
３７ 合流油路（回生油路）
４０、５０ 回生弁
４９ 回生油路

Claims (9)

1. 可変容量式の油圧ポンプから作動油の供給を受けるとともに内部の作動油を排出することにより駆動される複数の油圧アクチュエータを制御するための装置であって、
   これら油圧アクチュエータのうち少なくとも一つの特定のアクチュエータに対し前記油圧ポンプから作動油を供給するための供給油路と、前記特定のアクチュエータから排出された戻り油をタンクに導く戻り油路と、これら両油路内を流れる作動油の流量を同時に調整可能な給排調整部とを有する給排回路と、
   前記戻り油を前記給排調整部を介さずにタンクに導くように前記戻り油路から分岐する導出油路と、
   前記戻り油を前記給排調整部を介さずに前記供給油路へ導く回生油路と、
   前記導出油路及び回生油路を流れる前記戻り油の流量をそれぞれ調整可能な分配流量調整手段と、
   前記油圧ポンプから吐出される流量を調整可能な吐出流量調整部と、
   前記戻り油の圧力が油圧ポンプの吐出圧を超える外力付加期間中に、前記戻り油のうち回生油路に導くことができる回生流量とこの回生流量以外の余剰流量とを特定し、前記回生流量の戻り油を前記回生油路に導くとともにこの回生流量の分だけ油圧ポンプの吐出流量を減じる一方、前記余剰流量の戻り油が導出油路に導かれるように前記分配流量調整手段及び吐出流量調整部を制御する制御部とを備えていることを特徴とする制御装置。
2. 前記制御部は、前記供給油路へ戻り油を供給しない場合の油圧ポンプの目標流量から当該油圧ポンプに予め設定された最小吐出流量を減じた回生可能流量以下の流量を前記回生流量として特定することを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
3. 前記分配流量調整手段は、前記導出油路に設けられた導出弁と、前記回生油路に設けられた回生弁とを備え、前記制御部は、前記回生弁を予め設定された最大開口面積で開放したときの最大通過流量、及び前記回生可能流量のうち小さいもの以下の流量を前記回生流量として特定することを特徴とする請求項２に記載の制御装置。
4. 前記制御部は、前記供給油路へ戻り油を供給しない場合の前記特定のアクチュエータの駆動速度を所定の速度とするために前記導出弁を通じてタンクへ導くことが必要な戻り油の非回生流量を特定し、この非回生流量、前記最大通過流量及び回生可能流量のうち最も小さいものを前記回生流量として特定することを特徴とする請求項３に記載の制御装置。
5. 前記戻り油路には、前記戻り油の圧力が所定の開放圧以上となったときに開放するリリーフ弁が設けられており、前記制御部は、前記供給油路へ戻り油を供給しない場合の戻り油圧が前記開放圧以上である場合に、この戻り油圧を前記開放圧未満とするために前記回生弁を通じて供給油路へ導くことが必要な前記戻り油の流量である非リリーフ流量を特定するとともに、この非リリーフ流量、前記最大通過流量及び回生可能流量のうち最も小さいものを前記回生流量として特定することを特徴とする請求項３に記載の制御装置。
6. 前記制御部は、前記戻り油の圧力が前記開放圧以下となった場合でも、予め設定された解除条件が成立するまでの間、前記非リリーフ流量、最大通過流量及び回生可能流量のうち最も小さなものを前記回生流量として前記供給油路へ供給する制御を継続することを特徴とする請求項５に記載の制御装置。
7. 前記制御部は、前記外力付加期間中ではないと判定されたとき、又は、前記特定のアクチュエータの戻り油圧が前記油圧ポンプの吐出圧以下であると判定されたときに、前記解除条件が成立したと判定することを特徴とする請求項６に記載の制御装置。
8. 旋回体と、可変容量式の油圧ポンプと、この油圧ポンプから作動油の供給を受けるとともに内部の作動油を排出することにより駆動される複数の油圧アクチュエータと、請求項１〜７の何れか１項に記載の制御装置とを備えた作業機械であって、前記油圧アクチュエータには、前記旋回体を駆動する油圧モータが含まれており、前記制御部は、旋回駆動に基づく前記旋回体の慣性力が付加されて前記油圧モータから排出される戻り油圧が当該油圧モータに供給される作動油圧を超える外力付加期間中に、前記戻り油のうち前記回生油路に導くことができる回生流量とこの回生流量以外の余剰流量とを特定し、前記回生流量の戻り油を前記回生油路に導くとともにこの回生流量の分だけ前記油圧ポンプの吐出流量を減じる一方、前記余剰流量の戻り油がタンクに導かれるように前記分配流量調整手段及び吐出量調整手段を制御することを特徴とする作業機械。
9. 作業アタッチメントと、可変容量式の油圧ポンプと、この油圧ポンプから作動油の供給を受けるとともに内部の作動油を排出することにより駆動される複数の油圧アクチュエータと、請求項１〜７の何れか１項に記載の制御装置とを備えた作業機械であって、前記油圧アクチュエータには、前記作業アタッチメントを駆動する油圧シリンダが含まれており、前記制御部は、前記作業アタッチメントの自重が付加されて前記油圧シリンダから排出される戻り油圧が当該油圧シリンダに供給される作動油圧を超える外力付加期間中に、前記戻り油のうち前記回生油路に導くことができる回生流量とこの回生流量以外の余剰流量とを特定し、前記回生流量の戻り油を前記回生油路に導くとともにこの回生流量の分だけ前記油圧ポンプの吐出流量を減じる一方、前記余剰流量の戻り油が導出油路に導かれるように前記分配流量調整手段及び吐出流量調整部を制御することを特徴とする作業機械。

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