JP5647052B2 - ハイブリッド式建設機械 - Google Patents

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Description

本発明はハイブリッド式建設機械に係わり、特に上部旋回体を油圧モータと電動機で駆動するハイブリッド式建設機械に関する。
従来、建設機械の分野では、出力に対して機器が小型軽量に出来ることから、油圧アクチュエータが広く用いられていた。しかし、近年、エネルギー効率を高めるため、電動アクチュエータを搭載した建設機械が提案され、一部実用化されている。特に、建設機械の上部旋回体を下部走行体に対して旋回駆動するアクチュエータは慣性負荷の大きい回転式のアクチュエータでありかつ使用頻度が高く、起動停止が頻繁なことから上部旋回体を停止させるときのエネルギ回収が見込めるため、旋回用アクチュエータとして電動アクチュエータを用いると、エネルギー効率の改善効果が大きい。
そこで、高効率にエネルギー回収を行える油圧建設機械として、特許文献１〜３に記載のように、上部旋回体を油圧モータと電動機とにより駆動するようにしたものが知られている。
特許第４０２４１２０号公報 特開２００５−２９０８８２号公報 特開２００８−６３８８８号公報
特許文献１〜３に記載の技術のように、上部旋回体を油圧モータと電動機とにより駆動することで、上部旋回体の減速或いは停止時に電動機を発電機として機能させてエネルギーを電力として回生し、エネルギー効率を改善することができる。
しかしながら、特許文献１〜３に記載の技術では、電動機の故障、蓄電装置の電圧異常、その他の理由により電動機の機能を停止する必要が生じたとき、油圧モータのみの駆動になるため、上部旋回体を駆動するトルク（旋回トルク）が不足し、良好な操作感が得られないばかりでなく、作業能力（作業性）が低下してしまう恐れがある。
本発明の目的は、油圧モータと電動機を併用して上部旋回体を駆動する建設機械において、停止時のエネルギを電力として回生し、駆動時にアシストすることができるとともに、電動機が動作しない場合であっても良好な操作感と作業能力を確保することができるハイブリッド式建設機械を提供することにある。
（１）上記目的を達成するために、本発明は、下部走行体と、この下部走行体上に旋回可能に設けた上部旋回体と、この上部旋回体を旋回駆動する旋回用油圧モータ、前記旋回用油圧モータに圧油を供給する油圧ポンプ、前記旋回用油圧モータからの戻り油を受け、かつ前記油圧ポンプへの油の供給源となるタンク、及び前記旋回用油圧モータと前記油圧ポンプとを接続する管路上に配置され、前記油圧ポンプから吐出され前記旋回用油圧モータへ送られる圧油の方向及び流量を制御する方向・流量制御弁を含む油圧回路装置と、前記油圧ポンプを駆動する原動機と、前記旋回用油圧モータと併用して前記上部旋回体を駆動しかつ減速時に発電機として機能する旋回用電動機と、前記旋回用電動機と電気エネルギの授受を行う蓄電装置と、前記旋回用電動機の動作を制御する制御装置とを備えるハイブリッド式建設機械において、前記制御装置は、前記旋回用電動機を含む電気機器の異常、故障、警告状態の発生により前記旋回用電動機を停止させる必要性が生じたかどうかを判定し、前記旋回用電動機を停止させる必要性が生じていない場合は、前記上部旋回体を前記旋回用油圧モータと前記旋回用電動機の両方で駆動する油圧電動複合旋回モードを選択し、前記旋回用電動機を停止させる必要が生じた場合は前記油圧電動複合旋回モードから、前記上部旋回体を前記旋回用油圧モータのみで駆動する油圧単独旋回モードに切り換え、前記油圧単独旋回モードに切り換え前記旋回用電動機を非駆動としたときは、前記旋回用電動機の駆動時よりも、前記旋回用電動機を非駆動とした分だけ前記旋回用油圧モータの出力トルクを増すように前記油圧回路装置を制御するものとする。
このように構成した本発明においては、旋回用油圧モータと旋回用電動機を併用して上部旋回体を駆動するため、停止時のエネルギを電力として回生し、駆動時にアシストすることができる。また、旋回用電動機を非駆動としたときは、旋回用電動機の駆動時よりも、旋回用電動機を非駆動とした分だけ旋回用油圧モータの出力トルクを増すように油圧回路装置を制御するため、旋回トルクの低下が補われ、電動機が動作しない場合であっても、良好な操作感と作業能力を確保することができる。
（２）上記（１）において、好ましくは、前記制御装置は、前記旋回用電動機を非駆動としたとき、前記旋回用油圧モータの出力トルクを増すために前記旋回用油圧モータのメータイン圧力とメータアウト圧力のいずれかが上昇するよう前記油圧回路装置を制御する。
これにより旋回用油圧モータの出力トルクが増加し、電動機が動作しない場合であっても、良好な操作感と作業能力を確保することができる。
（３）上記（２）において、例えば、前記方向・流量制御弁は、前記油圧ポンプと前記旋回用油圧モータとを接続するメータイン絞りと、前記旋回用油圧モータと前記タンクとを接続するメータアウト絞りと、前記油圧ポンプと前記タンクとを接続するブリードオフ絞りとを有するオープンセンタタイプであり、前記制御装置は、前記旋回用電動機を非駆動としたとき、前記方向・流量制御弁のメータアウト絞りを閉じ方向に制御することで前記旋回用油圧モータのメータアウト圧力が上昇するよう制御し、以て前記旋回用油圧モータの制動トルクを増加させるように制御する。
これにより特別なバルブを付加することなく、方向・流量制御弁の制御のみで旋回用油圧モータの制動トルク（出力トルク）を増加させることができる。
（４）また、上記（２）において、前記方向・流量制御弁は、前記油圧ポンプと前記旋回用油圧モータとを接続するメータイン絞りと、前記旋回用油圧モータと前記タンクとを接続するメータアウト絞りと、前記油圧ポンプと前記タンクとを接続するブリードオフ絞りとを有するオープンセンタタイプであり、前記油圧回路装置は、前記方向・流量制御弁のメータアウト絞りを通過する圧油が流れる油路に配置された補助弁を更に備え、前記制御装置は、前記旋回用電動機を非駆動としたとき、前記補助弁を制御して、前記方向・流量制御弁の前記メータアウト絞りと前記補助弁の絞りとの合成絞りにより前記メータアウト油路を絞ることで前記旋回用油圧モータのメータアウト圧力が上昇するよう制御し、以て前記旋回用油圧モータの制動トルクを増加させるように制御することを特徴とする。
これにより方向・流量制御弁のメータアウト絞りを閉じ方向に制御する必要がないため、簡単な制御で旋回用油圧モータの制動トルク（出力トルク）を増加させることができる。
（５）また、上記（２）〜（４）において、例えば、前記方向・流量制御弁は、前記油圧ポンプと前記旋回用油圧モータとを接続するメータイン絞りと、前記旋回用油圧モータと前記タンクとを接続するメータアウト絞りと、前記油圧ポンプと前記タンクとを接続するブリードオフ絞りとを有するオープンセンタタイプであり、前記油圧回路装置は、前記方向・流量制御弁の前記ブリードオフ絞りを通過する圧油が流れるオープンセンタ油路に配置された補助弁を更に備え、前記制御装置は、前記旋回用電動機を非駆動としたとき、前記補助弁を制御して、前記方向・流量制御弁の前記ブリードオフ絞りと前記補助弁の絞りとの合成絞りにより前記オープンセンタ油路を絞ることで前記旋回用油圧モータのメータイン圧力が上昇するよう制御し、以て前記旋回用油圧モータの駆動トルクを増加させるように制御する。
これにより方向・流量制御弁のブリードオフ絞りを閉じ方向に制御する必要がないため、簡単な制御で旋回用油圧モータの駆動トルク（出力トルク）を増加させることができる。
（６）また、上記（２）〜（４）において、前記方向・流量制御弁は、前記油圧ポンプと前記旋回用油圧モータとを接続するメータイン絞りと、前記旋回用油圧モータと前記タンクとを接続するメータアウト絞りと、前記油圧ポンプと前記タンクとを接続するブリードオフ絞りとを有するオープンセンタタイプであり、前記制御装置は、前記旋回用電動機を非駆動としたとき、前記方向・流量制御弁のブリードオフ絞りを閉じ方向に制御することで前記旋回用油圧モータのメータイン圧力が上昇するよう制御し、以て前記旋回用油圧モータの駆動トルクを増加させるように制御する。
これにより特別なバルブを付加することなく、方向・流量制御弁の制御のみで旋回用油圧モータの駆動トルク（出力トルク）を増加させることができる。
（７）上記（３）又は（６）において、好ましくは、前記油圧建設機械は、前記方向・流量制御弁を駆動するための操作信号を出力する操作装置を更に備え、前記制御装置は、前記旋回用電動機を非駆動としたとき、前記操作装置の操作信号を制御することで、前記方向・流量制御弁のメータアウト絞り又は前記ブリードオフ絞りを閉じ方向に制御する。
（８）上記（７）において、好ましくは、前記操作装置は、前記操作信号として操作指令圧力を生成する減圧弁を内蔵し、前記制御装置は、前記操作指令圧力を制御する電磁比例減圧弁を有する。
（９）また、上記（４）又は（５）において、好ましくは、前記制御装置は、前記補助弁を駆動制御するための制御圧力を出力する電磁比例減圧弁を有する。
（１０）更に、上記（１）〜（９）において、好ましくは、
前記制御装置は、前記旋回用電動機を非駆動としたとき、前記旋回用油圧モータの出力を増すために前記油圧ポンプの出力トルクを増加させるように制御する。
これにより旋回用電動機を非駆動としたとき、旋回用油圧モータのメータイン圧力を上昇させて旋回用油圧モータの駆動トルク（加速トルク）を増加させるのに必要な油圧トルクを供給することができる。
本発明によれば、油圧モータと電動機を併用して上部旋回体を駆動する建設機械において、停止時のエネルギを電力として回生し、駆動時にアシストすることができるとともに、電動機が動作しない場合であっても良好な操作感と作業能力を確保することができる。
本発明の第１の実施の形態によるハイブリッド式油圧ショベルの側面図である。 油圧ショベルの主要電動・油圧機器のシステム構成を示す図である。 油圧回路装置のうち旋回セクションに係わる部分（旋回油圧システム）の詳細を示す図である。 旋回用方向・流量制御弁のメータアウト絞りのスプールストロークに対する開口面積特性を示す図である。 旋回用方向・流量制御弁のメータイン絞り及びブリードオフ絞りのスプールストロークに対する開口面積特性を示す図である。 センタバイパスカット弁のブリードオフ絞りのスプールストロークに対する開口面積特性を示す図である。 コントローラが行う制御機能を示すフローチャートである。 油圧単独旋回モードの処理内容のを示すフローチャートである。 単独旋回モードにおける減圧制御の詳細を示す機能ブロック図である。 操作装置の操作指令圧力を減圧制御した場合の操作装置のレバー操作量（操作指令圧力）に対する旋回用方向・流量制御弁のメータアウト絞りの開口面積の変化を示す図である。 センタバイパスカット弁を駆動制御した場合の操作装置のレバー操作量（操作指令圧力）に対する旋回用方向・流量制御弁のブリードオフ絞りとセンタバイパスカット弁のブリードオフ絞りの合成開口面積の変化を示す図である。 図１１に示した合成ブリードオフ開口面積の概念を示す図である。 レギュレータのトルク制御の設定を増加させた場合の油圧ポンプのトルク制御特性の変化を示す図である。 旋回制動停止時における操作装置の操作指令圧力（パイロット圧）、メータアウト圧力（Ｍ／Ｏ圧）、旋回電動モータのアシストトルク、上部旋回体の回転速度（旋回速度）の時系列波形を示す図である。 旋回駆動時における操作装置の操作指令圧力（パイロット圧）、メータアウト圧力（Ｍ／Ｏ圧）、旋回電動モータのアシストトルク、上部旋回体の回転速度（旋回速度）の時系列波形を示す図である。 本発明の第２の実施の形態によるハイブリッド式油圧ショベルに搭載される油圧回路装置のうち旋回セクションに係わる旋回油圧システムの詳細を示す、図３と同様な図である。 本発明の第３の実施の形態によるハイブリッド式油圧ショベルに搭載される油圧回路装置のうち旋回セクションに係わる旋回油圧システムの詳細を示す、図３と同様な図である。 油圧単独旋回モードの処理内容のを示すフローチャートである。 単独旋回モードにおける信号増加補正制御の詳細を示す機能ブロック図である。
以下、建設機械として油圧ショベルを例にとって本発明の実施の形態を説明する。なお、本発明は、旋回体を備えた建設機械全般（作業機械を含む）に適用が可能であり、本発明の適用は油圧ショベルに限定されるものではない。例えば、本発明は旋回体を備えたクレーン車等、その他の建設機械にも適用可能である。
＜第１の実施の形態＞
〜油圧ショベルの構成〜
本発明の第１の実施の形態によるハイブリッド式油圧ショベルの側面図を図１に示す。
図１において、ハイブリッド式油圧ショベルは下部走行体１０と、この下部走行体１０上に旋回可能に設けられた上部旋回体２０と、ショベル機構３０とを備えている。
下部走行体１０は、一対のクローラ１１ａ，１１ｂ及びクローラフレーム１２ａ，１２ｂ（図１では片側のみを示す）、各クローラ１１ａ，１１ｂを独立して駆動制御する一対の右及び左走行用油圧モータ１３，１４及びその減速機構等で構成されている。
上部旋回体２０は、旋回フレーム２１と、旋回フレーム２１上に設けられた、原動機としてのエンジン２２と、エンジン２２により駆動される発電機２３と、発電機２３により発生された電力を蓄えるためのバッテリ２４と、発電機２３又はバッテリ２４からの電力により駆動される旋回用電動機２５と、旋回用油圧モータ２７を含み、旋回用電動機２５と旋回用油圧モータ２７の駆動力により下部走行体１０に対して上部旋回体２０(旋回フレーム２１)を旋回駆動させるための旋回機構２６等で構成されている。ここで、上部旋回体２０は主として旋回用油圧モータ２７により駆動され、旋回用電動機２５が旋回用油圧モータ２７と協調駆動することで、補助的に旋回用電動機２５により駆動される。
ショベル機構３０は、ブーム３１と、ブーム３１を駆動するためのブームシリンダ３２と、ブーム３１の先端部近傍に回転自在に軸支されたアーム３３と、アーム３３を駆動するためのアームシリンダ３４と、アーム３３の先端に回転可能に軸支されたバケット３５と、バケット３５を駆動するためのバケットシリンダ３６等で構成されている。
さらに、上部旋回体２０の旋回フレーム２１上には、上述した走行用油圧モータ１３，１４、旋回用油圧モータ２７、ブームシリンダ３２、アームシリンダ３４、バケットシリンダ３６等の油圧アクチュエータを駆動するための油圧回路装置４０が搭載されている。油圧回路装置４０は、油圧を発生する油圧源となる油圧ポンプ４１（図２）及び各アクチュエータを駆動制御するためのコントロールバルブユニット４２（図２）を含み、油圧ポンプ４１はエンジン２２によって駆動される。
〜システム構成〜
油圧ショベルの主要電動・油圧機器のシステム構成を図２に示す。図２中、図１と同じ構成要素には図１と同じ符号を付してある。また、図２中、二本線は機械的駆動系統を、太線は電気的駆動系統を、通常太さの実線は油圧駆動系統を示す。図２に示すように、エンジン２２の駆動力は油圧ポンプ４１に伝達される。コントロールバルブユニット４２は、アクチュエータごとにスプールと呼ばれる弁部品によって構成される方向・流量制御弁を備え、レバー操作式の旋回用の操作装置５２及びその他のそれぞれのレバー操作式の操作装置（図示せず）からの操作信号（操作指令圧力）に応じてそれらの方向・流量制御弁を駆動することで、旋回用油圧モータ２７、ブームシリンダ３２、アームシリンダ３４、バケットシリンダ３６及び走行用油圧モータ１３，１４に供給される圧油の方向と流量を制御する。
バッテリ２４からの直流電力はインバータ・コンバータ２８により所定の電圧及び周波数のパルス信号に変換され、旋回用電動機２５に入力される。また、旋回用電動機２５は減速時には発電機特性で使用し、インバータ・コンバータ２８は旋回用電動機２５により回生された電力を直流に変換してバッテリ２４に蓄える。
また、インバータ・コンバータ２８は、コントローラ５１からの信号により旋回用電動機２５の回転速度とトルクを制御する。コントローラ５１は、操作装置５２の操作信号（操作指令圧力）を検出する圧力センサ５３ａ，５３ｂ及び旋回用油圧モータ２７のメータイン及びメータアウトの圧力を検出する圧力センサ６３ａ，６３ｂからの検出信号に基づいてインバータ・コンバータ２８及び油圧駆動装置４０（コントロールバルブユニット４２）へ送る信号を演算し、出力する。
〜旋回油圧システム〜
油圧回路装置４０のうち旋回セクションに係わる部分（以下旋回油圧システムという）の詳細を図３に示す。図中、図１及び図２と同じ構成要素には図１及び図２と同じ符号を付してある。
図３において、旋回油圧システムは、前述した油圧ポンプ４１及び旋回用油圧モータ２７と、旋回用方向・流量制御弁３７と、予備スプールを利用して構成された旋回補助弁としてのセンタバイパスカット弁３８と、タンクＴとを備えている。旋回用方向・流量制御弁３７は、旋回用油圧モータ２７と油圧ポンプ４１とを接続する管路上に配置され、油圧ポンプ４１から吐出され旋回用油圧モータ２７へ送られる圧油の方向及び流量を制御する。また、旋回用方向・流量制御弁３７はオープンセンタタイプであり、上流側が油圧ポンプ４１に接続され、下流側がタンクＴに接続されたオープンセンタ油路６１上に配置されている。センタバイパスカット弁３８は旋回用方向・流量制御弁３７の下流側でオープンセンタ油路６１上に配置され、旋回用方向・流量制御弁３７の動作位置への切り換え時に、旋回用方向・流量制御弁３７とともに油圧ポンプ４１の吐出圧力を制御する。旋回用方向・流量制御弁３７は、電磁比例減圧弁７１，７２からの制御パイロット圧に応じてスプール３７ａが変位することで、絞り（後述）の開口面積が一義的に定まる。他の方向・流量制御弁は、図示しない操作装置からの操作信号に応じてそれぞれのスプールが変位することで、絞りの開口面積が一義的に定まる。センタバイパスカット弁３８は、電磁比例減圧弁７３からの制御パイロット圧に応じてスプール３８ａが変位することで、絞り（後述）の開口面積が一義的に定まる。タンクＴは旋回用油圧モータ２７及びその他のアクチュエータからの戻り油を受けるとともに、油圧ポンプ４１への油の供給源となる。旋回用方向・流量制御弁３７及びセンタバイパスカット弁３８と電磁比例減圧弁７１，７２，７３はコントロールバルブユニット４２の一部を構成している。
油圧ポンプ４１は可変容量ポンプであり、トルク制御を行うレギュレータ６４を備え、レギュレータ６４を動作させることで油圧ポンプ４１の傾転角が変わって油圧ポンプ４１の容量が変わり、油圧ポンプ４１の吐出流量が変わる。また、コントローラ５１から増トルク指令が出力されると、レギュレータ６４は油圧ポンプ４１の最大出力トルクが増加するようトルク制御の設定を変更する。
操作装置５２はパイロット油圧源２９からの圧力をレバー操作量に応じて減圧する減圧弁を内蔵し、レバー操作量に応じた操作指令圧力を操作信号として出力する。この操作信号としての操作指令圧力が導かれるパイロット油路５２ａ，５２ｂには圧力センサ５３ａ，５３ｂが設けられ、この圧力センサ５３ａ，５３ｂによって検出された操作指令圧力の検出信号がコントローラ５１に送られる。また、旋回用方向・流量制御弁３７と旋回用油圧モータ２７とを接続するアクチュエータライン６２ａ，６２ｂに圧力センサ６３ａ，６３ｂが設けられ、圧力センサ６３ａ，６３ｂによって検出された旋回用油圧モータ２７のメータイン圧力（旋回用油圧モータ２７の入側の供給圧力）及びメータアウト圧力（旋回用油圧モータ２７の出側の排出圧力）の検出信号もコントローラ５１に送られる。コントローラ５１はそれらの検出信号に基づいて電磁比例減圧弁７１，７２，７３に送る制御信号を演算し、出力する。電磁比例減圧弁７１，７２には、操作装置５２が出力する操作指令圧力が一次圧として供給されており、電磁比例減圧弁７１，７２はコントローラ５１からの制御信号により操作装置５２が出力する操作指令圧力を減圧し、制御パイロット圧を旋回用方向・流量制御弁３７の左右いずれかの圧力室３７ｂ，３７ｃに出力する。電磁比例減圧弁７３にはパイロット油圧源２９からの圧力が一次圧として供給されており、電磁比例減圧弁７３はコントローラ５１からの制御信号によりパイロット油圧源２９からの圧力を減圧し、制御パイロット圧をセンタバイパスカット弁３８の圧力室３８ｂ，３８ｃの一方である圧力室３８ｃに出力する。センタバイパスカット弁３８の圧力室３８ｂはタンクＴに接続されている。
旋回用方向・流量制御弁３７はＡ，Ｂ，Ｃの３位置を持ち、電磁比例減圧弁７１，７２からの制御パイロット圧を受けて中立位置ＢからＡ位置又はＣ位置に連続的に切り替わる。また、旋回用方向・流量制御弁３７は、オープンセンタ油路６１上に位置する（従って油圧ポンプ４１とタンクＴとの間に位置する）ブリードオフ絞り３７ＢＯと、油圧ポンプ４１と旋回用油圧モータ２７との間に位置するメータイン絞り３７ＭＩａ，３７ＭＩｃと、旋回用油圧モータ２７とタンクＴとの間に位置するメータアウト絞り３７ＭＯａ，３７ＭＯｃを有し、ブリードオフ絞り３７ＢＯの下流側はオープンセンタ油路６１を介してタンクＴに接続され、メータイン絞り３７ＭＩａ，３７ＭＩｃの下流側及びメータアウト絞り３７ＭＯａ，３７ＭＯｃの上流側はアクチュエータライン６２ａ，６２ｂを介して旋回用油圧モータ２７の入出力ポートに接続されている。
旋回用方向・流量制御弁３７が中立位置Ｂにあるときは、油圧ポンプ４１から吐出される圧油はブリードオフ絞り３７ＢＯを通り、更にセンタバイパスカット弁３８を通ってタンクＴへ戻る。旋回用方向・流量制御弁３７が操作装置５２のレバー操作量に応じた操作指令圧力を受けてＡ位置に切り替わると、油圧ポンプ４１からの圧油はＡ位置のメータイン絞り３７ＭＩａを通って旋回用油圧モータ２７の一方のポートに送られ、旋回用油圧モータ２７からの戻り油はＡ位置のメータアウト絞り３７ＭＯａを通ってタンクＴに戻り、旋回用油圧モータ２７は一方向に回転する。逆に、旋回用方向・流量制御弁３７が操作装置５２のレバー操作量に応じた操作指令圧力を受けてＣ位置に切り替わると、油圧ポンプ４１からの圧油はＣ位置のメータイン絞り３７ＭＩｃを通って旋回用油圧モータ２７の他方のポートに送られ、旋回用油圧モータ２７からの戻り油はＣ位置のメータアウト絞り３７ＭＯｃを通ってタンクＴに戻り、旋回用油圧モータ２７はＡ位置の場合とは逆方向に回転する。
旋回用方向・流量制御弁３７がＢ位置とＡ位置の中間に位置しているときは、油圧ポンプ４１からの圧油はブリードオフ絞り３７ＢＯとメータイン絞り３７ＭＩａに分配される。このとき、メータイン絞り３７ＭＩａの入側にはブリードオフ絞り３７ＢＯの開口面積とセンタバイパスカット弁３８の開口面積に応じた圧力が立ち、その圧力で旋回用油圧モータ２７に圧油が供給され、その圧力（ブリードオフ絞り３７ＢＯの開口面積とセンタバイパスカット弁３８の開口面積）に応じた駆動トルク（加速トルク）が与えられる。また、旋回用油圧モータ２７からの排出油はそのときのメータアウト絞り３７ＭＯａの開口面積に応じた抵抗を受けて背圧が立ち、メータアウト絞り３７ＭＯａの開口面積に応じた制動トルクが発生する。Ｂ位置とＣ位置の中間においても同様である。
センタバイパスカット弁３８は、電磁比例減圧弁７３からの制御パイロット圧を受けてＢ位置（中立位置）からＢ位置とＣ位置間の所定位置に切り換わる。また、センタバイパスカット弁３８はオープンセンタ油路６１上に位置する（従って油圧ポンプ４１とタンクＴとの間に位置する）ブリードオフ絞り３８ＢＯを有し、センタバイパスカット弁３８が中立位置Ｂにあるときは、ブリードオフ絞り３８ＢＯの開口面積は最大であり、電磁比例減圧弁７３からの制御パイロット圧を受けてＢ位置とＣ位置間の所定位置に切り換わると、ブリードオフ絞り３８ＢＯは開口面積は減少する。この開口面積の減少により旋回用方向・流量制御弁３７のブリードオフ絞り３７ＢＯ及びメータイン絞り３７ＭＩａの入側の圧力は上昇し、これに応じて旋回用油圧モータ２７の駆動トルク（加速トルク）が増加する。
〜開口面積特性〜
旋回用方向・流量制御弁３７のメータアウト絞りのスプールストロークに対する開口面積特性を図４に示す。図中、本実施の形態における旋回用方向・流量制御弁３７のメータアウト絞り３７ＭＯａ，３７ＭＯｃの開口面積特性を実線で示し、電動機を用いない、従来型の油圧ショベルにおいて油圧単独駆動で良好な操作性を確保できる旋回用方向・流量制御弁のメータアウト絞りの開口面積特性を破線で示す。図４に示すように、本実施の形態における旋回用方向・流量制御弁３７のメータアウト絞り３７ＭＯａ，３７ＭＯｃの開口面積は制御域開始点及び終点は従来のものと同一で、中間域で従来のものに比べて開き勝手（大きな開口面積となるよう）に設計されている。すなわち、旋回用方向・流量制御弁３７のメータアウト絞り３７ＭＯａ，３７ＭＯｃの開口面積特性は、方向・流量制御弁３７のメータアウト絞りの開口面積が、上部旋回体２０を旋回用油圧モータ２７のみで駆動する建設機械（油圧ショベル）における方向・流量制御弁の所定の開口面積（図４の破線）より大きな開口面積になるように設定されている。
旋回用方向・流量制御弁３７のメータイン絞り及びブリードオフ絞りのスプールストロークに対する開口面積特性を図５に示す。図中、本実施の形態における旋回用方向・流量制御弁３７のブリードオフ絞り３７ＢＯの開口面積特性を実線で示し、電動機を用いない、従来型の油圧ショベルにおいて油圧単独駆動で良好な操作性を確保できる旋回用方向・流量制御弁のブリードオフ絞りの開口面積特性を破線で示す。また、本実施の形態における旋回用方向・流量制御弁３７のメータイン絞り３７ＭＩａ，３７ＭＩｃ及び従来の旋回用方向・流量制御弁のメータイン絞りの開口面積特性を一点鎖線で示す。図５に示すように、本実施の形態における旋回用方向・流量制御弁３７のブリードオフ絞り３７ＢＯの開口面積特性は、制御域開始点及び終点は従来のものと同一で、中間域で従来のものに比べ開き勝手（大きな開口面積となるよう）に設計されている。すなわち、旋回用方向・流量制御弁３７のブリードオフ絞り３７ＢＯの開口面積特性は、方向・流量制御弁３７のブリードオフ絞りの開口面積が、上部旋回体２０を旋回用油圧モータ２７のみで駆動する建設機械（油圧ショベル）における方向・流量制御弁の所定の開口面積（図５の破線）より大きな開口面積になるように設定されている。メータイン絞りの開口面積特性は、本実施の形態のものも従来のものも同じである。
センタバイパスカット弁３８のブリードオフ絞り３８ＢＯのスプールストロークに対する開口面積特性を図６に示す。この例は、センタバイパスカット弁３８をコントロールバルブユニット４２に通常備えられる予備スプールを利用して構成した場合のものであり、電磁比例減圧弁７３からの制御パイロット圧が与えられると、センタバイパスカット弁３８のスプールストロークは図６中のＳ１となり、センタバイパス絞り３８ＢＯの開口面積は最大の開口面積からＡ１に減少する。すなわち、センタバイパスカット弁３８は全開位置から開口面積Ａ１の絞り位置に切り換えられる。なお、センタバイパスカット弁３８の開口面積特性は、制御パイロット圧が与えられたときの絞り位置での開口面積がＡ１となるのであれば、それ以外の特性であってもよい。
〜制御原理〜
次に、コントローラ５１が行う処理機能について説明する。
まず、コントローラ５１の制御原理を説明する。
通常動作時、旋回用電動機２５と旋回用油圧モータ２７の両方を駆動することで、上部旋回体２０を旋回駆動する（以下、油圧電動複合旋回モードという）。この場合、コントローラ５１は電磁比例減圧弁７１，７２，７３への制御信号を出力しない。そのため操作装置５２が出力する操作指令圧力は減圧されずにそのまま旋回用方向・流量制御弁３７の圧力室３７ｂ又は３７ｃに入力され、旋回用方向・流量制御弁３７のスプール３７ａを駆動する。また、センタバイパスカット弁３８の圧力室３８ｃには制御パイロット圧が入力されないため、センタバイパスカット弁３８は中立位置Ｂのままである。
一方、旋回用電動機２５の故障、バッテリ２４の電圧異常、その他の理由により電動機２５を停止させ（非駆動とし）、上部旋回体２０を旋回用油圧モータ２７のみで駆動するときは（以下、油圧単独旋回モードという）、通常動作時に旋回用電動機２５が出力していた分だけ、上部旋回体２０を駆動する出力トルク（以下、適宜旋回出力トルク或いは旋回トルクという）は減少してしまう。そこで本発明では、この旋回出力トルクの低下を補うために、旋回用油圧モータ２７の出力トルクを増加させるべくコントローラ５１による制御が機能する。また、旋回用油圧モータ２７の出力トルクを増加させるために、旋回用油圧モータ２７のメータイン圧力とメータアウト圧力のいずれかが上昇するよう油圧回路装置４０を制御する。
例えば、コントローラ５１は、旋回用電動機２５を非駆動としたとき、方向・流量制御弁３７のメータアウト絞り３７ＭＯａ又は３７ＭＯｃを閉じ方向に制御することで旋回用油圧モータ２７のメータアウト圧力が上昇するよう制御し、旋回用油圧モータ２７の制動トルクを増加させるように制御する。また、コントローラ５１は、旋回用電動機２５を非駆動としたとき、センタバイパスカット弁３８（補助弁）を制御して、方向・流量制御弁３７のブリードオフ絞り３７ＢＯとセンタバイパスカット弁３８のブリードオフ絞り３８ＢＯとの合成絞りによりオープンセンタ油路６１を絞ることで旋回用油圧モータ２７のメータイン圧力が上昇するよう制御し、以て旋回用油圧モータ２７の駆動トルクを増加させるように制御する。更に、コントローラ５１は、旋回用電動機２５を非駆動としたとき、旋回用油圧モータ２７の出力を増すために油圧ポンプ４１の出力トルクを増加させるように制御する。
コントローラ５１は、旋回用電動機２５を非駆動としたとき、以上のような考えに基づき油圧回路装置４０（より詳しくは旋回用方向・流量制御弁３７及びセンタバイパスカット弁３８とレギュレータ６４）を制御して、旋回用油圧モータ２７の出力を増加させる。
〜コントローラの処理機能〜
次に、以上のような制御を行うコントローラ５１の処理機能を図７〜図９を用いて具体的に説明する。
図７は、コントローラ５１の全体の処理機能を示すフローチャートである。
コントローラ５１は、まず、旋回用電動機２５を停止させる必要性が生じたかどうかを判定する（ステップＳ１００）。旋回用電動機２５を停止させる必要性が生じた場合の例として、図２に示す旋回用電動機２５の電動システムにおけるバッテリ２４の電圧異常（電圧低下を含む）、その他電気機器の故障、異常、警告状態の発生等がある。コントローラ５１はバッテリ２４、旋回用電動機２５、インバータ・コンバータ２８からそれらの内部情報を取得し、その情報に基づいて異常、故障、警告状態が発生したかどうかを判定する。
コントローラ５１は、ステップＳ１００において旋回用電動機２５を停止させる必要性が生じていない場合は油圧電動複合旋回モードを選択し、インバータ・コンバータ２８を介して旋回用電動機２５のトルク制御を行う（ステップＳ１１０）。このとき上部旋回体２０は旋回用電動機２５と旋回用油圧モータ２７の両方で駆動される。
ここで、旋回用電動機２５のトルク制御は例えば次のように行うことができる。旋回用電動機２５の出力トルク（制動トルク及び加速トルク）を操作装置５２が出力する操作指令圧力（操作信号）の関数として予め決めてコントローラ５１に設定しておき、この関数にそのときの操作指令圧力を参照して目標トルクを求め、この目標トルクが得られるよう旋回用電動機２５を制御する。このとき、旋回用油圧モータ２７に発生した出力トルクと旋回用電動機２５の出力トルクとの和が、上部旋回体２０を旋回用油圧モータ２７のみで駆動する従来の建設機械（油圧ショベル）における旋回用油圧モータの出力トルクと等しくなるように、旋回用電動機２５のトルクを制御することが好ましい。これにより上部旋回体２０の旋回減速時の制動トルク及び旋回加速時の加速トルクは、それぞれ、上部旋回体２０を油圧モータのみで駆動する建設機械の場合の制動トルク及び加速トルクと同等となり、上部旋回体２０の旋回減速時及び加速時に上部旋回体２０を油圧モータのみで駆動する建設機械と同等の良好な操作感を確保することができる。
一方、ステップＳ１００において、旋回用電動機２５を停止させる必要性が生じた場合は油圧電動複合旋回モードから油圧単独旋回モードに切り換え、旋回用電動機２５のトルク制御を停止して旋回油圧システムの出力増加制御を行う（ステップＳ１２０）。
図８は、ステップＳ１２０の油圧単独旋回モードの処理内容のを示すフローチャートである。
コントローラ５１は、圧力センサ６３ａ，６３ｂからメータイン圧力及びメータアウト圧力の実測値の情報を入力し、メータイン圧力がメータアウト圧力より高いがどうかを判定する（ステップＳ２００）。メータイン圧力がメータアウト圧力より高くない場合は、旋回用油圧モータ２７の制動時（減速時）であり、メータイン圧力がメータアウト圧力より高い場合は、旋回用油圧モータ２７の加速時（駆動時）である。そして、メータイン圧力がメータアウト圧力より高くない場合（旋回用油圧モータ２７の制動時）は、圧力センサ５３ａ，５３ｂから入力した操作装置５２の操作指令圧力の減圧制御（操作信号の減少補正制御）を行い（ステップＳ２１０）、メータイン圧力がメータアウト圧力より高い場合（旋回用油圧モータ２７の加速時）は、センタバイパスカット弁３９の駆動制御とレギュレータ６４におけるトルク制御の設定の増加制御を行う（ステップＳ２２０）。
図９は、ステップＳ２１０の減圧制御の詳細を示す機能ブロック図である。コントローラ５１は、その減圧制御機能として、減少率演算部５００、減圧制御信号演算部５１０、スプールストローク演算部５２０、目標パイロット圧演算部５３０、目標電流演算部５４０、出力部５５０を有している。
減少率演算部５００は、圧力センサ５３ａ，５３ｂから操作装置５２の操作指令圧力（以下操作信号という）Ｘを入力し、この操作信号Ｘを、予め定めた操作信号Ｘと減少率β（１以下の数値）との関数関係を設定したテーブルに参照して、操作信号Ｘを減少補正制御するための減少率βを演算する。操作信号Ｘと減少率βとの関数関係は、旋回用方向・流量制御弁３７の開口面積特性を操作装置５２のレバー操作量に対する開口面積特性でみた場合に、メータアウト絞り３７ＭＯａ，３７ＭＯｃの開口面積が減圧制御をしなかった場合よりも減少し、旋回用油圧モータ２７の制動トルクが油圧電動複合モードにおける制動トルクと同等の大きさとなるように（言い換えればメータアウト絞り３７ＭＯａ又は３７ＭＯｃの開口面積が上部旋回体２０を油圧モータのみで駆動する建設機械における旋回用方向・流量制御弁の開口面積と同程度の大きさまで減少するように）設定されている。
補正操作信号演算部５１０は、操作装置５２の操作信号Ｘに減少率βを乗じて補正操作信号Ｘｂを演算する。
スプールストローク演算部５２０は、補正操作信号演算部５１０で演算した補正操作信号ＸｂをスプールストロークＳに変換し、目標パイロット圧演算部５３０はそのスプールストロークＳを目標パイロット圧に変換し、目標電流演算部５４０はその目標パイロット圧を電磁比例減圧弁７１又は７２を駆動するための目標電流に変換し、出力部５５０は，その目標電流を増幅して電磁比例減圧弁７１又は７２に出力する。スプールストローク演算部５２０以後の処理は、従来の電気信号を出力する操作装置を備えたシステムにおけるコントローラの処理内容と同じである。
図１０は、上記のように操作装置５２の操作指令圧力を減圧制御した場合の操作装置５２のレバー操作量（操作指令圧力）に対する旋回用方向・流量制御弁３７のメータアウト絞り３７ＭＯａ，３７ＭＯｃの開口面積の変化を示す図である。図中、実線は操作指令圧力を減圧制御しない場合（油圧電動複合旋回モード）のものであり、破線は操作指令圧力を減圧制御した場合（油圧単独旋回モード）のものである。この図から分かるように、操作指令圧力を減圧制御した場合は、操作装置５２のレバー操作量に対する開口面積特性でみた場合の開口面積が操作指令圧力を減圧制御しない場合の開口面積より小さくなるように補正される。その結果、旋回用油圧モータ２７の動作時に旋回用油圧モータ２７のメータアウト圧力（旋回用油圧モータ２７の出側の排出圧力）を上昇させることができ、これにより旋回用油圧モータ２７の制動トルクを増加させ、上部旋回体２０の制動力を増加させることができる。すなわち、旋回用油圧モータ２７の出力トルクを増加させることができる。
図８に戻り、ステップＳ２２０のセンタバイパスカット弁３９の駆動制御では、電磁比例減圧弁７３に制御信号を出力し、電磁比例減圧弁７３はその制御信号に応じた制御パイロット圧をセンタバイパスカット弁３８の圧力室３８ｃに出力し、センタバイパス絞り３８ＢＯの開口面積は最大の開口面積からＡ１（図６参照）に減少する。また、レギュレータ６４におけるトルク制御の設定の増加制御では、コントローラ５１は増トルク指令を出力してレギュレータ６４のトルク制御の設定を増加させる。
図１１は、上記のようにセンタバイパスカット弁３８を駆動制御した場合の操作装置５２のレバー操作量（操作指令圧力）に対する旋回用方向・流量制御弁３７のブリードオフ絞り３７ＢＯとセンタバイパスカット弁３８のブリードオフ絞り３８ＢＯの合成開口面積の変化を示す図である。図中、実線はセンタバイパスカット弁３８を駆動制御しない場合（油圧電動複合旋回モード）のものであり、破線はセンタバイパスカット弁３８を駆動制御した場合（油圧単独旋回モード）のものである。
図１２は図１１の合成ブリードオフ開口面積の概念を示す図である。センタバイパスカット弁３８のブリードオフ絞り３８ＢＯの開口面積を前述したＡ１とし、旋回用方向・流量制御弁３７のブリードオフ絞り３７ＢＯの開口面積をＡ２とすると、センタバイパスカット弁３８のブリードオフ絞り３８ＢＯと旋回用方向・流量制御弁３７のブリードオフ絞り３７ＢＯは、ブリードオフ開口面積Ａrefを持つ合成絞りと置き換えることが可能である。このとき、Ａ１，Ａ２，Ａrefの関係は、
Ａref＝Ａ１・Ａ２／√(Ａ１２＋Ａ２２)
と表すことができる。
図１１から分かるように、センタバイパスカット弁３８を駆動制御した場合は、操作装置５２のレバー操作量に対する開口面積特性でみた場合の合成ブリードオフ開口面積がセンタバイパスカット弁３８を駆動制御しない場合の開口面積より小さくなるように補正される。その結果、旋回用油圧モータ２７の動作時に油圧ポンプ４１の吐出圧力を上昇させることができ、これにより旋回用油圧モータ２７のメータイン圧力（旋回用油圧モータ２７の入側の供給圧力）を上昇させ、旋回用油圧モータ２７の駆動トルク（加速トルク）を増加させ、上部旋回体２０の駆動力（加速力）を増加させることができる。すなわち、旋回用油圧モータ２７の出力トルクを増加させることができる。
図１０及び図１１の指令パイロット圧の減圧制御及びセンタバイパスカット弁３８の駆動制御をした場合の開口面積は、予め旋回用電動機２５が駆動した場合と同等の出力が得られる開口面積特性としてコントローラ５１のメモリに記憶したものであってもよいし、計算的に求めるものであってもよい。
図１３は、上記のようにレギュレータ６４のトルク制御の設定を増加させた場合の油圧ポンプ４１のトルク制御特性の変化を示す図である。横軸は油圧ポンプ４１の吐出圧力、縦軸は油圧ポンプ４１の容量である。
通常動作時の油圧電動複合旋回モードでは、レギュレータ６４のトルク制御の設定は変更されず、レギュレータ６４のトルク制御の設定は、図１３の実線ＰＴの特性にある。旋回用電動機２５を停止させ、油圧単独旋回モードに移行すると、コントローラ５１は増トルク指令を出力してレギュレータ６４のトルク制御の設定を図１３の実線ＰＴの特性から実線ＰＴSの特性に変化させる。これにより油圧ポンプ４１の最大出力トルクは斜線で示す面積分、増加し、油圧単独旋回モードでセンタバイパスカット弁３８を駆動制御した場合に、旋回用油圧モータ２７のメータイン圧力を上昇させて旋回用油圧モータ２７の加速トルクを増加させるのに必要な油圧トルクを供給することができる。
〜制御の時系列波形〜
図１４は、旋回制動停止時における操作装置５２の操作指令圧力（パイロット圧）、メータアウト圧力（Ｍ／Ｏ圧）、旋回電動モータ２５のアシストトルク、上部旋回体２０の回転速度（旋回速度）の時系列波形を示す図である。パイロット圧が最大で、最高旋回速度から時間Ｔ＝Ｔ５〜Ｔ８でパイロット圧０までランプ状に操作指令圧力を低下させた場合の例である。
油圧電動複合旋回モードが選択されているときは、旋回用方向・流量制御弁３７のメータアウト絞り３７ＭＯａ，３７ＭＯｃの開口面積が従来のものに比べて開き勝手に設計されている分、旋回用油圧モータ２７のメータアウト圧力(Ｍ／０圧)は本実施の形態の方が低くなる（破線）。メータアウト圧力の違いはすなわち制動トルクの違いに相当するので、旋回用油圧モータ２７のトルクは従来型の油圧ショベルにおいて油圧単独駆動で良好な操作性を確保できる開口面積を適用した場合より本実施の形態の方が、絶対値が小さくなる。本実施の形態では、この油圧モータトルクの差分だけ、制動トルクを電動機２５により付与する。図１４では回生側のアシストトルクを負としている。これにより電動機２５のアシストトルクと旋回用方向・流量制御弁３７によって発生するメータアウト圧力に由来する制動トルクの合計値は、従来型の油圧ショベルで発生する制動トルクと概等しくなるように制御されるので、上部旋回体２０の旋回速度は従来型の油圧ショベル同等の減速フィーリングを有することが可能となる。
一方、油圧単独旋回モードが選択されたときは、減圧制御により旋回用方向・流量制御弁３７の操作指令圧力（レバー操作量）に対するメータアウト開口面積の特性は、図１０に破線で示すように、中間領域における開口面積が減少した特性に変更されるため、旋回用方向・流量制御弁３７によって発生するメータアウト圧力は、図１４に実線で示すメータアウト圧力まで上昇し、旋回用方向・流量制御弁３７によって発生するメータアウト圧力に由来する制動トルクが、油圧電動複合旋回モードで発生する制動トルクと概等しくなるように制御される。これにより上部旋回体２０の旋回速度は油圧電動複合旋回モードと同等の減速フィーリングを有することが可能となる。
図１５は、旋回駆動時における操作装置５２の操作指令圧力（パイロット圧）、メータイン圧力（Ｍ／Ｉ圧）、旋回電動モータ２５のアシストトルク、上部旋回体２０の回転速度（旋回速度）の時系列波形を示す図である。パイロット圧が０で、旋回停止状態から時間Ｔ＝Ｔ１〜Ｔ３でパイロット圧最大までランプ状に操作指令圧力を増加させた場合の例である。
油圧電動複合旋回モードが選択されているときは、旋回用方向・流量制御弁３７のブリードオフ絞り３７ＢＯの開口面積が従来のものに比べて開き勝手に設計されている分、旋回用油圧モータ２７のメータイン圧力(Ｍ／Ｉ圧)は本実施の形態の方が低くなる（破線）。メータイン圧力の違いはすなわち加速トルクの違いに相当するので、旋回用油圧モータ２７のトルクは、従来型の油圧ショベルにおいて油圧単独駆動で良好な操作性を確保できる開口面積を適用した場合より本実施の形態の方が、絶対値が小さくなる。本実施の形態では、この油圧モータトルクの差分だけ、加速トルクを電動機２５により付与する。図１５では力行側のアシストトルクを正としている。これにより電動機２５のアシストトルクと旋回用方向・流量制御弁３７によって発生するメータイン圧力に由来する加速トルクの合計値は、従来型の油圧ショベルで発生する加速トルクと概等しくなるように制御されるので、上部旋回体２０の旋回速度は従来型の油圧ショベル同等の加速フィーリングを有することが可能となる。
一方、油圧単独旋回モードが選択されたときは、旋回用方向・流量制御弁３７のブリードオフ絞り３７ＢＯとセンタバイパスカット弁３８のブリードオフ絞り３８ＢＯとの合成開口面積特性は、図１１に破線で示すように、開口面積が減少した特性に変更されるため、旋回用方向・流量制御弁３７によって発生するメータイン圧力は、図１５に示す実線で示すメータイン圧力まで上昇し、旋回用方向・流量制御弁３７によって発生するメータイン圧力に由来する加速トルクが、油圧電動複合旋回モードで発生する加速トルクと概等しくなるように制御される。これにより上部旋回体２０の旋回速度は従来型の油圧ショベルと同等の加速フィーリングを有することが可能となる。
〜効果〜
以上のように構成した本実施の形態によれば、旋回用油圧モータ２７と旋回用電動機２５を併用して上部旋回体２０を駆動するため、旋回用電動機２５により上部旋回体２０の減速或いは停止時のエネルギを電力として回生し、駆動時にアシストすることができる。
また、旋回用電動機２５を非駆動としたときは、旋回用電動機２５の駆動時よりも、旋回用電動機２５を非駆動とした分だけ旋回用油圧モータ２７の出力トルクを増すように油圧回路装置４０（より詳しくは旋回用方向・流量制御弁３７及びセンタバイパスカット弁３８とレギュレータ６４）を制御するため、旋回トルクの低下が補われ、電動機２５が動作しない場合であっても、良好な操作感と作業能力を確保することができる。
＜第２の実施の形態＞
本発明の第２の実施の形態によるハイブリッド式油圧ショベルを図１６を用いて説明する。本実施の形態は、旋回用電動機２５を非駆動としたとき、制動トルクを増加するため、方向・流量制御弁３７のメータアウト絞りと補助弁の絞りとの合成絞りにより旋回用油圧モータのメータアウト圧力が上昇するよう制御するものである。
図１６は本発明の第２の実施の形態における油圧回路装置の旋回油圧システムの詳細を示す図である。図中、図１〜図３と同じ構成要素には同じ符号を付してある。
図１６において、旋回油圧システムは、第１の実施の形態にあった図３に示す電磁比例減圧弁７１，７２の代わりに、メータアウト補助弁４４と電磁比例減圧弁７４を備えている。メータアウト補助弁４４は、旋回用方向・流量制御弁３７のメータアウト絞り３７ＭＯａ又は３７ＭＯｃを通過する圧油が流れる油路である旋回用方向・流量制御弁３７の排出側をタンクＴに接続するメータアウト油路４５に配置されている。電磁比例減圧弁７４はコントローラ５１からの制御信号によりパイロット油圧源２９からの圧力（一次圧）を減圧して、制御パイロット圧をメータアウト補助弁４４の圧力室４４ａに出力する。
電磁比例減圧弁７４から制御パイロット圧がメータアウト補助弁４４の圧力室４４ａに出力されると、メータアウト補助弁４４は全開位置から開口面積が減少した絞り位置に切り換えられる。このメータアウト補助弁４４と旋回用方向・流量制御弁３７のメータアウト絞りは３７ＭＯａ又は３７ＭＯｃは、第１の実施の形態における方向・流量制御弁３７のブリードオフ絞り３７ＢＯとセンタバイパスカット弁３８のブリードオフ絞り３８ＢＯとのブリードオフ合成絞りの場合と同様に、メータアウト合成絞りを構成し、図１０の破線のようにレバー操作量に対して方向・流量制御弁３７のブリードオフ絞り３７ＢＯ単独の場合よりも減少したメータアウト合成絞りの開口面積の関係を作り出す。
本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様にメータアウト油路４５とセンタバイパス油路６１を絞り制御することが可能であり、これにより油圧モータ２７と電動機２５を併用して上部旋回体２０を駆動する建設機械において、停止時のエネルギを電力として回生し、駆動時にアシストすることができるとともに、電動機２５が動作しない場合であっても良好な操作感と作業能力を確保することができる。
＜第３の実施の形態＞
本発明の第３の実施の形態によるハイブリッド式油圧ショベルを図１７〜図１９を用いて説明する。本実施の形態は、旋回用電動機２５を非駆動としたとき、旋回用油圧モータ２７の駆動トルクを増加させるため、方向・流量制御弁３７のブリードオフ絞りを閉じ方向に制御することで旋回用油圧モータ２７のメータイン圧力が上昇するよう制御するものである。
図１７は本発明の第３の実施の形態における油圧回路装置の旋回油圧システムの詳細を示す図である。図中、図１〜図３と同じ構成要素には同じ符号を付してある。
図１７において、旋回油圧システムは、第１の実施の形態にあった図３に示すセンタバイパスカット弁３８、コントローラ５１、操作装置５２、圧力センサ５３ａ，５３ｂ、電磁比例減圧弁７１，７２，７３の代わりに、コントローラ５１Ａ、操作装置５２Ａ、電磁比例減圧弁７１Ａ，７２Ａを備えている。
操作装置５２Ａは操作信号として電気信号を出力するレバー操作式の操作装置である。コントローラ５１Ａは、レバー操作式の操作装置５２Ａからの操作信号（電気信号）を受けて、対応する制御信号（電気信号）を電磁比例減圧弁７１Ａ，７２Ａに出力する。電磁比例減圧弁７１Ａ，７２Ａはコントローラ５１Ａからの制御信号によりパイロット油圧源２９からの圧力（一次圧）を減圧して、制御パイロット圧を旋回用方向・流量制御弁３７の左右いずれかの圧力室３７ｂ，３７ｃに出力する。
コントローラ５１Ａの全体の処理機能は、第１の実施の形態において図７にフローチャートで示したものと同じである。
図１８は、第１の実施の形態に係わる図７に示すステップＳ１２０の本実施の形態における油圧単独旋回モードの処理内容のを示すフローチャートである。
図１８において、コントローラ５１Ａは、圧力センサ６３ａ，６３ｂからメータイン圧力及びメータアウト圧力の実測値の情報を入力し、メータイン圧力がメータアウト圧力より高いがどうかを判定する（ステップＳ２００）。メータイン圧力がメータアウト圧力より高くない場合は、旋回用油圧モータ２７の制動時（減速時）であり、メータイン圧力がメータアウト圧力より高い場合は、旋回用油圧モータ２７の加速時（駆動時）である。そして、メータイン圧力がメータアウト圧力より高くない場合（旋回用油圧モータ２７の制動時）は、操作装置５２Ａから入力した操作信号の減少補正制御を行い（ステップＳ２１０）、メータイン圧力がメータアウト圧力より高い場合（旋回用油圧モータ２７の加速時）は、操作装置５２Ａから入力した操作信号の増加補正制御とレギュレータ６４におけるトルク制御の設定の増加制御を行う（ステップＳ２２０Ａ）。
ステップＳ２１０における操作信号の減少補正制御は操作指令圧力（検出値）が操作装置５２Ａの操作信号（電気信号）に変わり、操作指令圧力の減圧制御が操作信号の減少補正制御に変わった点を除いて、先の図８に機能ブロック図で示した処理と同じである。
図１９は、ステップＳ２２０Ａの信号増加補正制御の詳細を示す機能ブロック図である。コントローラ５１Ａは、その信号増加補正制御機能として、増加率演算部４００、補正操作信号演算部４１０、スプールストローク演算部４２０、目標パイロット圧演算部４３０、目標電流演算部４４０、出力部４５０を有している。
増加率演算部４００は、操作装置５２Ａの操作信号Ｘを入力し、この操作信号Ｘを、予め定めた操作信号Ｘと増加率α（１以上の数値）との関数関係を設定したテーブルに参照して、操作信号Ｘを増加補正制御するための増加率αを演算する。操作信号Ｘと増加率αとの関数関係は、旋回用方向・流量制御弁３７Ａの開口面積特性を操作装置５２Ａのレバー操作量に対する開口面積特性でみた場合に、センタバイパス絞り３７ＢＯの開口面積が信号増加補正制御をしなかった場合よりも減少し、旋回用油圧モータ２７の駆動トルクが油圧電動複合モードにおける駆動トルクと同等の大きさとなるように（言い換えればセンタバイパス絞り３７ＢＯの開口面積が上部旋回体２０を油圧モータのみで駆動する建設機械における旋回用方向・流量制御弁の開口面積と同程度の大きさまで減少するように）設定されている。
補正操作信号演算部４１０は、操作装置５２Ａの操作信号Ｘに増加率αを乗じて補正操作信号Ｘａを演算する。
スプールストローク演算部４２０は、補正操作信号演算部４１０で演算した補正操作信号ＸａをスプールストロークＳに変換し、目標パイロット圧演算部４３０はそのスプールストロークＳを目標パイロット圧に変換し、目標電流演算部４４０はその目標パイロット圧を電磁比例減圧弁７１又は７２を駆動するための目標電流に変換し、出力部４５０は，その目標電流を増幅して電磁比例減圧弁７１Ａ又は７２Ａに出力する。これらのスプールストローク演算部４２０以後の処理は、従来の電気信号を出力する操作装置を備えたシステムにおけるコントローラの処理内容と同じである。
本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様にメータアウト油路４５とセンタバイパス油路６１を絞り制御することが可能であり、これにより油圧モータ２７と電動機２５を併用して上部旋回体２０を駆動する建設機械において、停止時のエネルギを電力として回生し、駆動時にアシストすることができるとともに、電動機２５が動作しない場合であっても良好な操作感と作業能力を確保することができる。
＜変形例＞
本発明における旋回用方向・流量制御弁３７のメータアウト絞りの開口面積特性及びブリードオフ絞りの開口面積特性は、図４及び図５（スプールストロークに対する特性）、図１０及び図１１（レバー操作量に対する特性）のような特性に限らず、本発明の意図を外れない範囲で自由に設定することが可能である。
例えば、旋回用方向・流量制御弁３７のスプールストロークに対する開口面積特性は、中間域のみを従来よりも開くような特性としてもよく、このように変形しても発明の効果は変わらない。
また、旋回用方向・流量制御弁３７のスプールストロークに対する開口面積特性は、図４及び図５に示す例では、従来のものに比べて開き勝手に設計したが、従来と同じ開口面積を有する特性としてもよい。この場合は、旋回用電動機を駆動する油圧電動複合旋回モードでは、操作信号を補正して、レバー操作量に対する開口面積特性において従来のものに比べて開き勝手となるように制御し、旋回用電動機を非駆動とする油圧単独旋回モードでは、操作信号を補正せず、旋回用方向・流量制御弁３７を操作信号でそのまま駆動すればよい。これによっても旋回用電動機２５を非駆動としたときは、旋回用電動機２５の駆動時よりも、旋回用電動機２５を非駆動とした分だけ旋回用油圧モータ２７の出力トルクを増すように制御することができ、電動機２５が動作しない場合であっても、良好な操作感と作業能力を確保することができる。また、この場合は、従来の方向・流量制御弁をそのまま適用することができ、方向・流量制御弁を安価に構成することができる。
１０ 下部走行体
１１ａ，１１ｂ クローラ
１２ａ，１２ｂ クローラフレーム
１３ 右走行用油圧モータ
１４ 左走行用油圧モータ
２０ 上部旋回体
２１ 旋回フレーム
２２ エンジン
２３ 発電機
２４ バッテリ
２５ 旋回用電動機
２６ 旋回機構
２７ 旋回用油圧モータ
２８ 旋回用インバータ
２９ 油圧パイロット油圧源
３０ ショベル機構
３１ ブーム
３２ ブームシリンダ
３３ アーム
３４ アームシリンダ
３５ バケット
３６ バケットシリンダ
３７ 旋回用方向・流量制御弁
３８ センタバイパスカット弁
４０ 油圧回路装置
４１ 油圧ポンプ
４２ コントロールバルブユニット
４４ メータアウト補助弁
４５ メータアウト油路
５１ コントローラ
５２ 操作装置
５３ａ，５３ｂ 圧力センサ
６１ オープンセンタ油路
６２ａ，６２ｂ アクチュエータライン
６３ａ，６３ｂ 圧力センサ
６４ レギュレータ
３７Ａ 旋回用方向・流量制御弁
５１Ａ コントローラ
５２Ａ 操作装置
７１ 電磁比例減圧弁
７２ 電磁比例減圧弁
７１Ａ 電磁比例減圧弁
７２Ａ 電磁比例減圧弁
７３ 電磁比例減圧弁
７４ 電磁比例減圧弁
４００ 増加率演算部
４１０ 補正操作信号演算部
４２０ スプールストローク演算部
４３０ 目標パイロット圧演算部
４４０ 目標電流演算部
４５０ 出力部
５００ 減少率演算部
５１０ 減圧制御信号演算部
５２０ スプールストローク演算部
５３０ 目標パイロット圧演算部
５４０ 目標電流演算部
５５０ 出力部
３７ＢＯ ブリードオフ絞り
３７ＭＩａ，３７ＭＩｃ メータイン絞り
３７ＭＯａ，３７ＭＯｃ メータアウト絞り

Claims (10)

  1. 下部走行体と、
    この下部走行体上に旋回可能に設けた上部旋回体と、
    この上部旋回体を旋回駆動する旋回用油圧モータ、前記旋回用油圧モータに圧油を供給する油圧ポンプ、前記旋回用油圧モータからの戻り油を受け、かつ前記油圧ポンプへの油の供給源となるタンク、及び前記旋回用油圧モータと前記油圧ポンプとを接続する管路上に配置され、前記油圧ポンプから吐出され前記旋回用油圧モータへ送られる圧油の方向及び流量を制御する方向・流量制御弁を含む油圧回路装置と、
    前記油圧ポンプを駆動する原動機と、
    前記旋回用油圧モータと併用して前記上部旋回体を駆動しかつ減速時に発電機として機能する旋回用電動機と、
    前記旋回用電動機と電気エネルギの授受を行う蓄電装置と、
    前記旋回用電動機の動作を制御する制御装置とを備えるハイブリッド式建設機械において、
    前記制御装置は、前記旋回用電動機を含む電気機器の異常、故障、警告状態の発生により前記旋回用電動機を停止させる必要性が生じたかどうかを判定し、前記旋回用電動機を停止させる必要性が生じていない場合は、前記上部旋回体を前記旋回用油圧モータと前記旋回用電動機の両方で駆動する油圧電動複合旋回モードを選択し、前記旋回用電動機を停止させる必要が生じた場合は前記油圧電動複合旋回モードから、前記上部旋回体を前記旋回用油圧モータのみで駆動する油圧単独旋回モードに切り換え、前記油圧単独旋回モードに切り換え前記旋回用電動機を非駆動としたときは、前記旋回用電動機の駆動時よりも、前記旋回用電動機を非駆動とした分だけ前記旋回用油圧モータの出力トルクを増すように前記油圧回路装置を制御することを特徴とするハイブリッド式建設機械。
  2. 前記制御装置は、前記旋回用電動機を非駆動としたとき、前記旋回用油圧モータの出力トルクを増すために前記旋回用油圧モータのメータイン圧力とメータアウト圧力のいずれかが上昇するよう前記油圧回路装置を制御することを特徴とする請求項１記載のハイブリッド式建設機械。
  3. 前記方向・流量制御弁は、前記油圧ポンプと前記旋回用油圧モータとを接続するメータイン絞りと、前記旋回用油圧モータと前記タンクとを接続するメータアウト絞りと、前記油圧ポンプと前記タンクとを接続するブリードオフ絞りとを有するオープンセンタタイプであり、
    前記制御装置は、前記旋回用電動機を非駆動としたとき、前記方向・流量制御弁のメータアウト絞りを閉じ方向に制御することで前記旋回用油圧モータのメータアウト圧力が上昇するよう制御し、以て前記旋回用油圧モータの制動トルクを増加させるように制御することを特徴とする請求項２記載のハイブリッド式建設機械。
  4. 前記方向・流量制御弁は、前記油圧ポンプと前記旋回用油圧モータとを接続するメータイン絞りと、前記旋回用油圧モータと前記タンクとを接続するメータアウト絞りと、前記油圧ポンプと前記タンクとを接続するブリードオフ絞りとを有するオープンセンタタイプであり、
    前記油圧回路装置は、前記方向・流量制御弁のメータアウト絞りを通過する圧油が流れる油路に配置された補助弁を更に備え、
    前記制御装置は、前記旋回用電動機を非駆動としたとき、前記補助弁を制御して、前記方向・流量制御弁の前記メータアウト絞りと前記補助弁の絞りとの合成絞りにより前記メータアウト油路を絞ることで前記旋回用油圧モータのメータアウト圧力が上昇するよう制御し、以て前記旋回用油圧モータの制動トルクを増加させるように制御することを特徴とする請求項２記載のハイブリッド式建設機械。
  5. 前記方向・流量制御弁は、前記油圧ポンプと前記旋回用油圧モータとを接続するメータイン絞りと、前記旋回用油圧モータと前記タンクとを接続するメータアウト絞りと、前記油圧ポンプと前記タンクとを接続するブリードオフ絞りとを有するオープンセンタタイプであり、
    前記油圧回路装置は、前記方向・流量制御弁の前記ブリードオフ絞りを通過する圧油が流れるオープンセンタ油路に配置された補助弁を更に備え、
    前記制御装置は、前記旋回用電動機を非駆動としたとき、前記補助弁を制御して、前記方向・流量制御弁の前記ブリードオフ絞りと前記補助弁の絞りとの合成絞りにより前記オープンセンタ油路を絞ることで前記旋回用油圧モータのメータイン圧力が上昇するよう制御し、以て前記旋回用油圧モータの駆動トルクを増加させるように制御することを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項記載のハイブリッド式建設機械。
  6. 前記方向・流量制御弁は、前記油圧ポンプと前記旋回用油圧モータとを接続するメータイン絞りと、前記旋回用油圧モータと前記タンクとを接続するメータアウト絞りと、前記油圧ポンプと前記タンクとを接続するブリードオフ絞りとを有するオープンセンタタイプであり、
    前記制御装置は、前記旋回用電動機を非駆動としたとき、前記方向・流量制御弁のブリードオフ絞りを閉じ方向に制御することで前記旋回用油圧モータのメータイン圧力が上昇するよう制御し、以て前記旋回用油圧モータの駆動トルクを増加させるように制御することを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項記載のハイブリッド式建設機械。
  7. 前記油圧建設機械は、前記方向・流量制御弁を駆動するための操作信号を出力する操作装置を更に備え、
    前記制御装置は、前記旋回用電動機を非駆動としたとき、前記操作装置の操作信号を制御することで、前記方向・流量制御弁のメータアウト絞り又は前記ブリードオフ絞りを閉じ方向に制御することを特徴とする請求項３又は６記載のハイブリッド式建設機械。
  8. 前記操作装置は、前記操作信号として操作指令圧力を生成する減圧弁を内蔵し、
    前記制御装置は、前記操作指令圧力を制御する電磁比例減圧弁を有することを特徴とする請求項７記載のハイブリッド式建設機械。
  9. 前記制御装置は、前記補助弁を駆動制御するための制御圧力を出力する電磁比例減圧弁を有することを特徴とする請求項４又は５記載のハイブリッド式建設機械。
  10. 前記制御装置は、前記旋回用電動機を非駆動としたとき、前記旋回用油圧モータの出力を増すために前記油圧ポンプの出力トルクを増加させるように制御することを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項記載のハイブリッド式建設機械。
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