WO2018088145A1 - エネルギー回生装置、およびこれを備えた作業機械 - Google Patents

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opening
pressure
working fluid
low
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前川　智史
菅野　直紀
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株式会社神戸製鋼所
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    • F15B2211/80—Other types of control related to particular problems or conditions
    • F15B2211/88—Control measures for saving energy

Definitions

  • the present invention relates to an energy regeneration device that regenerates energy of a working fluid discharged from an actuator, and a work machine including the energy regeneration device.
  • Patent Document 1 includes an inertial fluid container that communicates with the discharge side of the actuator, a high-pressure side container, and a low-pressure side container, and alternately communicates the inertial fluid container with the high-pressure side container and the low-pressure side container.
  • the working fluid flows from the inertial fluid container into the low pressure side container. At this time, the inertial force of the fluid is generated in the inertial fluid container due to the flow of the working fluid. Thereafter, when the low-pressure side switch is closed and the high-pressure side switch is opened, the working fluid flows into the high-pressure side switch due to the inertial force of the fluid generated in the inertial fluid container. As a result, the pressure of the working fluid can be accumulated in the high-pressure side switch.
  • the operation speed of the fluid actuator is controlled according to the amount of operation of the operation lever by the operator.
  • the operating speed of the fluid actuator cannot be controlled to the target speed. For this reason, there has been a problem that the operation amount of the operation lever does not correspond to the operating speed of the fluid actuator.
  • An object of the present invention is to provide an energy regeneration device capable of regenerating the energy of a working fluid while controlling the flow rate of the working fluid discharged from an actuator, and a work machine including the energy regeneration device.
  • an energy regeneration device for regenerating energy of a working fluid, comprising: a cylinder; and a piston capable of reciprocating in the cylinder; and a cylinder fluid chamber defined by the cylinder and the piston.
  • Inertia that has an actuator whose volume changes with the movement of the piston and a first internal space that communicates with the cylinder fluid chamber and receives the working fluid discharged from the cylinder fluid chamber with the movement of the piston
  • a low pressure side container that receives the working fluid that has flowed out of the inertial fluid container, and has a second internal space that is set at a lower pressure than the cylinder fluid chamber and communicates with the first internal space of the inertial fluid container.
  • a high-pressure side container that receives the working fluid that has flowed out of the inertial fluid container, and a low-pressure side that allows the working fluid to flow between the inertial fluid container and the low-pressure side container
  • a low pressure side switch that forms an opening and operates to change an opening area of the low pressure side opening, and a high pressure that allows the working fluid to flow between the high pressure side container and the inertial fluid container
  • a high-pressure side switch that forms a side opening and operates to change the opening area of the high-pressure side opening, and the upstream side of the inertial fluid container in the flow of the working fluid that flows out of the cylinder fluid chamber
  • a first pressure acquisition unit configured to acquire a discharge pressure of the working fluid; and a high pressure of the working fluid on a downstream side of the high-pressure side switch in the flow of the working fluid flowing out of the cylinder fluid chamber.
  • a second pressure acquisition unit that acquires pressure; an opening area determination unit that determines an opening area of the high-pressure side opening and the low-pressure side opening in accordance with a use condition of the actuator; and the piston is the cylinder fluid chamber
  • An arithmetic unit that calculates a duty ratio for controlling the opening time of the low-pressure side opening and the high-pressure side opening within a predetermined period when moving at a preset moving speed in the direction of reducing the volume of
  • the discharge area is discharged from the cylinder fluid chamber set according to the opening area of the high-pressure side opening and the low-pressure side opening determined by the opening area determining unit and the moving speed of the piston.
  • a calculation unit that calculates a duty ratio; and the high-pressure side switch and the low-pressure side according to the duty ratio so that the communication destination of the inertial fluid container is alternately switched between the low-pressure side container and the high-pressure side container.
  • the working fluid is generated in the first internal space of the inertial fluid container when the working fluid flows toward the low pressure side container while moving the piston at the moving speed.
  • a switch control unit that causes the working fluid to flow into the high-pressure side container by inertial force.
  • a work machine includes an engine, the energy regeneration device described above, a driven body coupled to the piston of the actuator of the energy regeneration device, and the A pump that is driven by an engine and discharges the working fluid supplied to the cylinder fluid chamber of the actuator, and is disposed between the pump and the actuator in a flow path of the working fluid, and is supplied to the cylinder fluid chamber
  • a control valve that drives the actuator by controlling the flow rate of the working fluid, an operation lever that receives an operation for commanding to drive the driven body, and an amount of operation given to the operation lever
  • a drive control unit for controlling the movement of the actuator by operating the control valve Wherein the target flow rate of the working fluid discharged from the cylinder fluid chamber is set according to the amount of operation applied to the operating lever.
  • FIG. 1 is a hydraulic circuit diagram of an energy regeneration device provided in a work machine according to an embodiment of the present invention. It is a block diagram of the controller of the working machine which concerns on one Embodiment of this invention. It is the graph which showed the relationship between the opening time of the switch with which the energy regeneration apparatus which concerns on one Embodiment of this invention is equipped, and the opening degree of each switch.
  • FIG. 1 is a side view of a hydraulic excavator 10 (work machine) according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 shows directions of “up”, “down”, “front”, and “rear”, but these directions are for explaining the structure of the excavator 10 according to the present embodiment. It is shown for the sake of convenience, and does not limit the usage mode of the work machine according to the present invention.
  • the hydraulic excavator 10 includes a lower traveling body 11 and an upper revolving body 12 supported on the lower traveling body 11 so as to be pivotable about a vertical axis.
  • the lower traveling body 11 and the upper swing body 12 constitute a base of the excavator 10.
  • the upper swing body 12 includes an upper frame 13 and a cab 14 and a counterweight 15 provided on the upper frame 13.
  • the upper frame 13 is composed of a plate-like member that extends along the horizontal direction.
  • the cab 14 is provided with an operation unit (operation lever 107) operated by an operator of the excavator 10.
  • the counterweight 15 is provided in the rear portion of the upper frame 13 and has a function of maintaining the balance of the excavator 10.
  • a work attachment 16 is attached to the front portion of the upper frame 13.
  • the work attachment 16 is supported on the upper frame 13 by a support mechanism (not shown).
  • the work attachment 16 includes a boom 17 that is mounted on the upper swing body 12 so as to be raised and lowered, an arm 18 that is rotatably connected to the tip of the boom 17, and a pivot that is pivotally connected to the tip of the arm 18. And a bucket 19.
  • a boom cylinder 20 that is a boom hydraulic actuator, an arm cylinder 21 that is an arm hydraulic actuator, and a bucket cylinder 22 that is a bucket hydraulic actuator are mounted on the work attachment 16, and these cylinders can be extended and contracted. It is composed of a hydraulic cylinder.
  • the boom cylinder 20 is interposed between the boom 17 and the upper swing body 12 so as to expand and contract by receiving the supply of hydraulic oil and rotate the boom 17 in the undulation direction.
  • the arm cylinder 21 is interposed between the arm 18 and the boom 17 so as to expand and contract by receiving the supply of hydraulic oil and rotate the arm 18 around the horizontal axis with respect to the boom 17.
  • the bucket cylinder 22 is interposed between the bucket 19 and the arm 18 so as to expand and contract by receiving the supply of hydraulic oil and to rotate the bucket 19 around the horizontal axis with respect to the arm 18.
  • the work machine to which the present invention is applied is not limited to the hydraulic excavator 10.
  • the present invention can be widely applied to work machines including a driving object driven by fluid pressure such as hydraulic pressure.
  • a crusher, a dismantling machine, etc. can be employed as the work attachment.
  • FIG. 2 is a block diagram showing an example of the system configuration of the excavator 10 shown in FIG.
  • the excavator 10 includes an engine 210, a hydraulic pump 250 (pump) connected to the output shaft of the engine 210, and a control valve 260 (control valve) that controls supply and discharge of hydraulic oil from the hydraulic pump 250 to the boom cylinder 20.
  • the controller 106 and the operation lever 107 are provided.
  • the hydraulic pump 250 is operated by the power of the engine 210 and discharges hydraulic oil.
  • the hydraulic oil discharged from the hydraulic pump 250 is supplied to the head-side hydraulic chamber 203 (FIG. 3) or the rod-side hydraulic chamber 204, which will be described later, with the flow rate controlled by the control valve 260.
  • the boom 17 connected to the piston rod 202A (FIG. 3) of the boom cylinder 20 is driven.
  • the control valve 260 is disposed between the hydraulic pump 250 and the boom cylinder 20 in the hydraulic oil flow path.
  • the control valve 260 drives the boom cylinder 20 by controlling the flow rate of hydraulic oil supplied to the head side hydraulic chamber 203 or the rod side hydraulic chamber 204 of the boom cylinder 20.
  • the control valve 260 is electrically controlled by the controller 106 and includes a pilot operated hydraulic switching valve and an electromagnetic proportional valve.
  • the hydraulic switching valve has a pilot port (not shown). The hydraulic switching valve performs a valve opening operation in accordance with the pilot pressure input to the pilot port, and changes the flow rate of the hydraulic oil supplied to the boom cylinder 20. Further, the hydraulic pressure switching valve switches the supply destination of the hydraulic oil between the head side hydraulic chamber 203 (FIG.
  • the electromagnetic proportional valve adjusts the flow rate of pilot oil flowing into the hydraulic pressure switching valve in accordance with a control signal input from the controller 106 in order to change the pilot pressure input to the hydraulic pressure switching valve.
  • the controller 106 outputs a control signal for setting the opening degree of the electromagnetic proportional valve of the control valve 260 according to the operation amount of the operation lever 107.
  • the operation lever 107 is provided inside the cab 14 and is operated by an operator.
  • the operation lever 107 receives an operation for a command to drive the work attachment 16 including the boom 17.
  • a plurality of operation levers 107 are provided in accordance with the operations of the boom 17, the arm 18, and the bucket 19 and the swing operation of the upper swing body 12. Note that the operation of the plurality of members may be assigned by the common operation lever 107 by providing a plurality of operation directions of the operation lever 107.
  • the boom cylinder 20 expands and contracts when supplied with hydraulic oil.
  • the control valve 260 is illustrated as being disposed between the boom cylinder 20 and the hydraulic pump 250, but also between the arm cylinder 21 and bucket cylinder 22 and the hydraulic pump 250 in FIG. 1. The same control valve 260 is provided. In response to a control signal from the controller 106, each cylinder can be controlled independently.
  • the excavator 10 includes a regenerative device 100 (energy regenerative device).
  • the regenerative device 100 has a function of regenerating the energy of the hydraulic oil discharged from the boom cylinder 20.
  • FIG. 3 is a hydraulic circuit diagram of the regenerative device 100.
  • FIG. 4 is a block diagram of the controller 106.
  • the regenerative device 100 includes an inertia fluid container 102, a low-pressure side switch 103, a high-pressure side switch 104, an accumulator 105 (high-pressure side container), and a check valve. 109, an oil tank 110 (low pressure side container), a first pressure gauge 111 (first pressure acquisition unit), and a second pressure gauge 112 (second pressure acquisition unit).
  • the aforementioned boom cylinder 20 includes a cylinder 201, a piston 202, and a piston rod 202A.
  • the piston 202 can reciprocate within the cylinder 201.
  • the cylinder 201 and the piston 202 define a head side hydraulic chamber 203 (cylinder fluid chamber) and a rod side hydraulic chamber 204.
  • a piston rod 202 ⁇ / b> A is connected to one side surface of the piston 202.
  • the above-described boom 17 (driven body) serving as an operation load of the boom cylinder 20 is connected to the tip of the piston rod 202A.
  • the head side hydraulic chamber 203 is formed inside the cylinder 201 and filled with hydraulic oil (working fluid).
  • the volume of the head side hydraulic chamber 203 changes as the piston 202 reciprocates.
  • the rod side hydraulic chamber 204 is formed inside the cylinder 201 and filled with hydraulic oil.
  • the volume of the rod side hydraulic chamber 204 is variable as the piston 202 reciprocates. That is, in FIG. 3, when the piston 202 moves up, the volume of the head side hydraulic chamber 203 increases and the volume of the rod side hydraulic chamber 204 decreases. On the other hand, when the piston 202 descends, the volume of the head side hydraulic chamber 203 is reduced and the volume of the rod side hydraulic chamber 204 is increased.
  • the inertial fluid container 102 includes an internal space (first internal space) communicating with the head-side hydraulic chamber 203 of the boom cylinder 20.
  • the inertial fluid container 102 receives hydraulic oil discharged from the head side hydraulic chamber 203 as the piston 202 moves.
  • the inertia fluid tank 102 is made of a pipe having a predetermined inner diameter.
  • the oil tank 110 includes an internal space (second internal space) set at a lower pressure than the head side hydraulic chamber 203 of the boom cylinder 20.
  • the internal space of the oil tank 110 communicates with the internal space of the inertial fluid container 102.
  • the oil tank 110 receives the hydraulic oil that has flowed out of the inertial fluid container 102.
  • the accumulator 105 includes an internal space (third internal space) that is set at a higher pressure than the internal space of the oil tank 110.
  • the internal space of the accumulator 105 communicates with the internal space of the inertial fluid container 102.
  • the accumulator 105 receives hydraulic fluid that has flowed out of the inertial fluid container 102. At this time, the accumulator 105 accumulates the pressure of the hydraulic oil.
  • the low pressure side switch 103 is an open / close valve (metering valve) disposed between the inertial fluid container 102 and the oil tank 110. Specifically, the low-pressure side switch 103 has a valve structure having a metering function in which the opening degree changes continuously with respect to the stroke of the valve body.
  • the low-pressure side switch 103 forms an opening (not shown) (low-pressure side opening) that allows hydraulic oil to flow between the inertial fluid container 102 and the oil tank 110, and the inertial fluid container 102 and the oil tank 110. Communicate with and shut off. And the low voltage
  • the high-pressure side switch 104 is an open / close valve (metering valve) disposed between the inertial fluid container 102 and the accumulator 105.
  • the high-pressure side switch 104 also has a valve structure having a metering function in which the opening degree changes continuously with respect to the stroke of the valve body.
  • the high-pressure side switch 104 forms an opening (not shown) (high-pressure side opening) that allows the flow of hydraulic oil between the inertial fluid container 102 and the accumulator 105, and the inertial fluid container 102 and the accumulator 105 are connected to each other. Communicate and block. And the high voltage
  • the opening areas of the low-pressure side opening of the low-pressure side switch 103 and the high-pressure side opening of the high-pressure side switch 104 are set in advance to a predetermined opening area A1, and as described below, the opening areas are set as necessary. The area is adjusted.
  • the first pressure gauge 111 detects (acquires) the hydraulic oil discharge pressure Ph in the head side hydraulic chamber 203 side of the boom cylinder 20 relative to the inertia fluid container 102. In other words, the first pressure gauge 111 detects the discharge pressure Ph of the hydraulic oil upstream of the inertial fluid container 102 in the flow of hydraulic oil flowing out from the head side hydraulic chamber 203. Further, the second pressure gauge 112 detects (acquires) the high pressure side pressure Pacc (accumulator pressure) of the hydraulic oil on the accumulator 105 side of the high pressure side switch 104. In other words, the second pressure gauge 112 detects the high-pressure side pressure Pacc of the hydraulic oil on the downstream side of the high-pressure side switch 104 in the flow of hydraulic oil flowing out from the head-side hydraulic chamber 203.
  • a head-side oil passage L1 and a rod-side oil passage L2 are disposed inside the excavator 10, respectively.
  • hydraulic oil reaches the low pressure side switch 103 or the accumulator 105 from the head side hydraulic chamber 203 of the boom cylinder 20 through the inertial fluid container 102.
  • the hydraulic oil reaches the oil tank 110 from the rod side hydraulic chamber 204.
  • the check valve 109 has a function (anti-cavity check function) for compensating for the insufficient flow rate from the oil tank 110 to the rod side hydraulic chamber 204 of the boom cylinder 20 during the boom lowering operation.
  • the excavator 10 includes an input unit 115 (FIG. 4).
  • the input unit 115 is provided in the cab 14 and includes an operation panel and a display unit (not shown).
  • the input unit 115 receives a control command related to the operation of the excavator 10.
  • the controller 106 controls the excavator 10 in an integrated manner.
  • the control lever 107, the first pressure gauge 111, the second pressure gauge 112, and the low-pressure side switch are used as control signal destinations. 103, the high-voltage side switch 104, the input unit 115, and the like.
  • the controller 106 includes a CPU (Central Processing Unit), a ROM (Read Only Memory) that stores a control program, a RAM (Random Access Memory) used as a work area of the CPU, and the CPU executes the control program. By this, it operates so that it may have functionally the drive control part 150, the calculating part 151, the memory
  • the drive control unit 150 controls the movement of the boom cylinder 20 by operating the control valve 260 according to the amount of operation given to the operation lever 107. In the present embodiment, the drive control unit 150 executes a control mode described later.
  • the calculation unit 151 controls the opening / closing operation of the low pressure side switch 103 and the high pressure side switch 104 when the piston 202 moves in the direction of reducing the volume of the head side hydraulic chamber 203 of the boom cylinder 20.
  • d1 is calculated.
  • the duty ratio d1 is set according to the target flow rate Q1 of the hydraulic oil discharged from the head side hydraulic chamber 203 of the boom cylinder 20.
  • the storage unit 152 stores information on the target flow rate Q1 of the hydraulic oil corresponding to the operation amount of the operation lever 107.
  • the storage unit 152 stores a preset duty ratio threshold value dc (threshold value) in order to prevent the hydraulic oil from flowing backward from the accumulator 105 side to the inertial fluid container 102 side. These pieces of information are output from the storage unit 152 as necessary.
  • the regenerative control unit 153 controls the opening / closing operations of the low-pressure side switch 103 and the high-pressure side switch 104 so as to alternately switch the communication destination of the inertial fluid container 102 between the oil tank 110 and the accumulator 105. Control based on.
  • the opening area determination unit 154 determines the opening area A of the openings of the low pressure side switch 103 and the high pressure side switch 104 according to the use conditions of the excavator 10 including the boom cylinder 20.
  • FIG. 5 is a graph showing the relationship between the opening time of the low pressure side switch 103 and the high pressure side switch 104 provided in the regenerative device 100 and the opening of each switch.
  • FIG. 6 is a graph showing the relationship between the duty ratio for controlling the opening area of the low pressure side switch 103 and the high pressure side switch 104 provided in the regenerative device 100 according to the present embodiment, the flow rate of hydraulic oil, and the energy regeneration rate. It is.
  • the controller 106 closes the opening of the high-pressure side switch 104 and opens the opening of the low-pressure side switch 103, the hydraulic oil in the inertial fluid container 102 flows into the oil tank 110. At this time, a fluid inertia force is generated in the internal space of the inertial fluid container 102 by the flow of the hydraulic oil.
  • the controller 106 closes the opening of the low-pressure side switch 103 and opens the opening of the high-pressure side switch 104
  • the accumulator 105 is activated by the inertial force of the fluid generated in the inertial fluid container 102 as described above. Oil can be poured and accumulated.
  • the hydraulic oil can flow into the accumulator 105 and accumulate pressure while the inertial force of the fluid is maintained in the inertial fluid container 102. it can.
  • the controller 106 closes the high-pressure side switch 104 again and opens the low-pressure side switch 103, whereby the inertial force of the fluid can be recovered. For this reason, the controller 106 switches the open / close cycle of the low-voltage side switch rod 103 and the high-voltage side switch 104 alternately at a predetermined cycle. According to such a configuration, even if the pressure of the accumulator 105 is equal to or higher than the pressure of the head-side hydraulic chamber 203 of the boom cylinder 20, energy can be regenerated and accumulated in the accumulator 105.
  • the controller 106 when performing the energy recovery operation, alternately switches the opening / closing operation (opening / closing operation) of the low-pressure side switch 103 and the high-pressure side switch 104 at high speed.
  • the regeneration control unit 153 of the controller 106 includes a control current output unit, a converter (PWM converter), and a drive circuit.
  • the control current output unit outputs a pulse signal for controlling the switching operation of the low voltage side switch 103 and the high voltage side switch 104.
  • the pulse signal is formed of a predetermined rectangular wave, and the open / close times of the low voltage side switch 103 and the high voltage side switch 104 are controlled by the duty ratio d of the pulse signal.
  • the duty ratio d is defined by the following formula 1.
  • T1 is a time (cycle) per cycle of opening / closing of the low-voltage side switch 103 and the high-voltage side switch 104
  • T2 is a time during which the high-voltage side switch 104 is open in one cycle. That is, the duty ratio d defined by Equation 1 corresponds to the high-pressure side duty ratio d1 for controlling the opening time of the high-pressure side opening 104 within the period T1.
  • the frequency of the pulse signal for controlling the switching operation of the low-voltage side switch 103 and the high-voltage side switch 104 is set to 100 Hz.
  • the time during which the low-pressure side switch 103 is open corresponds to T1-T2.
  • the duty ratio on the low-pressure side for controlling the opening time of the low-pressure side opening 103 within the period T1 corresponds to 1-d1.
  • the maximum value Amax of the opening area of the low pressure side switch 103 and the high pressure side switch 104 is set.
  • the maximum value of the flow rate of the hydraulic oil discharged from the boom cylinder 20 is Qmax
  • the maximum value Amax of the opening area of the low pressure side switch 103 and the high pressure side switch 104 is designed by Equation 2.
  • Ph is the discharge pressure of the hydraulic oil that can be measured by the first pressure gauge 111 (FIG. 3), and Ph0 in Equation 2 is a discharge pressure design value for determining A1 at the design stage.
  • the discharge pressure Ph varies depending on the inertia force when the boom 17 is accelerated or decelerated or the presence or absence of a load on the boom 17. Therefore, at the design stage of the regenerative device 100, when the mass of the boom 17 corresponding to the standard load of the boom cylinder 20 is M and the head side area of the boom cylinder 20 is Ah, the discharge pressure design value Ph0 is expressed by the following equation: 3 is calculated.
  • Equation 3 g is gravitational acceleration.
  • FIG. 6 shows the flow rate Q of hydraulic oil and the regeneration rate ⁇ (regeneration efficiency) when the duty ratio d of the pulse signal for controlling the low-pressure side switch 103 and the high-pressure side switch 104 is changed.
  • the area of each opening of the low-pressure side switch 103 and the high-pressure side switch 104 is set to A1.
  • the regenerative rate ⁇ indicates the ratio of recovering the energy of the hydraulic oil discharged from the boom cylinder 20 to the accumulator 105 side, and is defined by the following formula 4.
  • Equation 4 Qacc is the flow rate of the hydraulic fluid flowing into the accumulator 105, and Qh is the flow rate of the hydraulic fluid flowing out from the head side hydraulic chamber 203 of the boom cylinder 20.
  • Pacc is the accumulator pressure measured by the second pressure gauge 112, and Ph is the hydraulic oil discharge pressure measured by the first pressure gauge 111.
  • a desirable target duty ratio d is between 0 and 1 in order to achieve both the flow rate of the hydraulic oil and the regeneration efficiency ⁇ , and is close to the center (0.5), particularly 0.3 ⁇ d ⁇ It is preferable to set it in the range of 0.7.
  • FIG. 7 is a graph showing the relationship between the operation amount of the operation lever 107 of the hydraulic excavator 10 according to this embodiment and the cylinder target flow rate Q1. Data corresponding to the graph of FIG. 7 is stored in the storage unit 152 (FIG. 4) of the controller 106.
  • the cylinder target flow rate Q1 corresponds to the flow rate of hydraulic oil discharged from the boom cylinder 20 in order to move the piston 202 at a predetermined speed in accordance with the operation amount of the operation lever 107.
  • the moving speed of the boom 17 is set according to the operation amount of the operation lever 107.
  • the controller 106 performs a regenerative processing operation in order to recover the energy of the discharged hydraulic oil to the accumulator 105 while the movement speed of the boom 17 (piston 202) (the discharge flow rate of the hydraulic oil) can be controlled. Execute.
  • FIG. 8A is a graph showing the relationship between the duty ratio d for controlling the opening area of each switch and the flow rate Q of hydraulic oil in the regenerative device 100 according to the present embodiment
  • FIG. 8B is a control of the duty ratio
  • 6 is a graph showing a relationship between a range ⁇ d and a flow rate Q of hydraulic oil.
  • the drive control unit 150 that controls the movement of the work attachment 16 has a control mode that operates during normal operation of the excavator 10.
  • the operator may operate the lever largely to drive the boom 17.
  • a single operation of the boom such as a boom lowering operation corresponds to such an operation.
  • the maximum flow rate of the hydraulic oil discharged from the boom cylinder 20 is relatively large.
  • a fine operation such as a return operation (horizontal pushing operation) or a leveling operation using the tip of the bucket 19 is executed, a fine operation is required.
  • the maximum flow rate of the hydraulic oil discharged from the boom cylinder 20 is set small.
  • a composite operation in which a boom lowering operation and an arm pushing operation are executed in parallel also corresponds to such an operation. In the horizontal pushing operation, since the arm pulling operation becomes dominant, the boom raising speed becomes smaller than that in the single operation described above.
  • a control mode that is automatically activated according to the work purpose is provided.
  • the flow control area of each cylinder is determined according to the construction information.
  • construction information such as a construction surface is stored in the storage unit 152 (FIG. 4) of the controller 106 in advance.
  • the hydraulic excavator 10 includes an angle meter (not shown) provided on a rotation shaft of each attachment (boom 17, arm 18, and bucket 19).
  • the controller 106 can obtain the current posture information of each attach from the detection results of these angle meters. Therefore, when a highly accurate work such as a return operation is performed based on the above construction information, a target speed for each attach operation is calculated.
  • the target flow rate of each cylinder is automatically controlled so as to satisfy the calculated target speed setting range.
  • the determination to shift to the control mode is performed based on the current posture and movable speed of each attachment.
  • the controller 106 starts the control mode. Note that selection of an operation such as a return operation or a leveling operation may be input via the input unit 115 (FIG. 4).
  • each attachment is driven according to the operation of the operation lever 107 by the operator.
  • the flow control maximum value Q1max of the hydraulic oil discharged from the boom cylinder 20 is determined according to the accuracy required for the operation.
  • the flow control maximum value Q1max when the hydraulic excavator 10 is used is smaller than the above-described Qmax (Equation 2).
  • FIG. 8A shows the relationship between the duty ratio d and the flow rate Q of hydraulic oil when the opening area A is A1, A2 ( ⁇ A1).
  • the duty ratio d needs to be set in the range of ⁇ d1 in order to perform control so as to include the flow rate control maximum value Qmax.
  • the duty ratio d needs to be set in the range of ⁇ d2 in order to control to include the flow control maximum value Qmax. As shown in FIG. 8A, it is possible to use a duty ratio in a range where ⁇ d2 is wider than the duty ratio control range ⁇ d1.
  • the resolution (flow control decomposition width ⁇ Q) for controlling the duty ratio d changes according to the opening area A.
  • the flow control decomposition width ⁇ Q is calculated by Equation 5.
  • Equation 5 ⁇ d1 in FIG. 8A is substituted as an example of the duty ratio control range ⁇ d.
  • the flow control decomposition width ⁇ Q is shown as ⁇ Q1.
  • the duty ratio control range ⁇ d becomes narrower as the opening area A of the low-pressure side switch 103 and the high-pressure side switch 104 is larger. From Equation 5, if the control range ⁇ d of the duty ratio is narrowed, the flow control resolution width ⁇ Q is increased, so that the flow control resolution is lowered. For this reason, when the flow control maximum value Q1max of the boom cylinder 20 is determined in the control mode, the opening of the low pressure side switch 103 and the high pressure side switch 104 is set so that the control range ⁇ d of the duty ratio is set as large as possible. It is desirable that the area A is set. In this case, the flow control resolution width ⁇ Q is reduced, and the flow control resolution can be improved.
  • the improvement of the flow control resolution leads to the improvement of the fine operability in the excavator 10 in particular.
  • the control range of the duty ratio is ⁇ d2 (> ⁇ d1)
  • the flow rate control decomposition width is ⁇ Q2 ( ⁇ Q1). Therefore, the flow rate control resolution is improved as compared with the case where the opening area A of the low-pressure side switch 103 and the high-pressure side switch 104 is set to A1.
  • FIG. 9 is a flowchart showing the regeneration processing operation of the regeneration device 100 according to the present embodiment.
  • the controller 106 executes the regeneration processing operation. .
  • the opening area determining unit 154 of the controller 106 confirms whether or not the control mode is operating (step S1 in FIG. 9).
  • this control mode is a mode in which the target flow rate of each cylinder is automatically controlled so that the target speed of each attachment calculated according to the construction information is satisfied.
  • the opening area determining unit 154 sets the opening area A of each opening of the low-pressure side switch 103 and the high-pressure side switch 104 to A1 ( 8A and 8B) (step S2).
  • the opening area determining unit 154 determines whether each of the openings of the low pressure side switch 103 and the high pressure side switch 104 is in accordance with the flow rate control range of the hydraulic oil.
  • the opening area A is determined (step S3).
  • the maximum flow rate of the hydraulic oil discharged from the boom cylinder 20 is Q1max and the flow rate control range of the hydraulic oil is 0 to Q1max, the flow control resolution is improved.
  • the opening area determining unit 154 sets the opening area A to A2 (A2 ⁇ A1).
  • the controller 106 determines the cylinder target flow rate Q ⁇ b> 1 (the hydraulic oil discharge flow rate) according to the operation amount of the operation lever 107 (Ste S4 in FIG. 9).
  • the cylinder target flow rate Q1 discharge flow rate of hydraulic oil
  • controller 106 controls the first pressure gauge 111 and the second pressure gauge 112 to detect the cylinder discharge pressure Ph and the accumulator pressure Pacc, respectively (step S5 in FIG. 9).
  • the calculation unit 151 of the controller 106 opens and closes on the low pressure side determined by the opening area determination unit 154.
  • the duty ratio d for controlling the opening / closing operation of the low-voltage side switch 103 and the high-voltage side switch 104 is calculated from the opening area A of the opening of the voltage regulator 103 and the high-voltage side switch 104 based on Equation 6 (FIG. 9 step S6).
  • the duty ratio d1 for controlling the opening / closing operation of the high-voltage side switch 104 is calculated.
  • the duty ratio for controlling the opening / closing operation of the low-pressure side switch 103 corresponds to 1-d1.
  • Cv is a flow coefficient (constant) of valves constituting the low-pressure side switch 103 and the high-pressure side switch 104.
  • A is the opening area of each opening of the low-voltage side switch 103 and the high-voltage side switch 104 determined by the opening area determination unit 154.
  • controller 106 alternately controls the opening / closing operations of the high-pressure side switch and the low-pressure side switch according to the duty ratio d1 calculated above (step S7 in FIG. 9).
  • step S8 the controller 106 repeats the regeneration processing operation from step S1.
  • step S8 the controller 106 finishes the regeneration processing operation.
  • the calculation unit 151 of the controller 106 is a predetermined unit for the case where the piston 202 of the boom cylinder 20 moves at a preset moving speed in the direction of reducing the volume of the head-side hydraulic chamber 203.
  • the duty ratio for controlling the opening time of each opening of the low-voltage side switch 103 and the high-voltage side switch 104 within the period is calculated.
  • the calculation unit 151 operates according to the opening area A of each opening of the low-pressure side switch 103 and the high-pressure side switch 104 determined by the opening area determination unit 154 and the moving speed of the piston 202.
  • the duty ratio (d1) is calculated. To do. Then, the regeneration control unit 153 of the controller 106 switches the low pressure side switch 103 and the low pressure side switch 103 according to the duty ratio (d1) so as to alternately switch the communication destination of the inertial fluid container 102 between the oil tank 110 and the accumulator 105. The opening / closing operation of the high voltage side switch 104 is controlled.
  • the regeneration control unit 153 moves the piston 202 at a desired moving speed, and the hydraulic oil is generated by the inertial force generated in the internal space of the inertial fluid container 102 when the hydraulic oil flows toward the oil tank 110.
  • the energy of the hydraulic oil discharged from the boom cylinder 20 can be recovered to the accumulator 105 side, and the discharge flow rate of the boom cylinder 20 can be controlled.
  • the operating speed of the boom cylinder 20 can be controlled in accordance with the amount of operation of the operating lever 107 by the operator. Therefore, it is suppressed that the operability of the operation lever by the operator is lowered for the energy recovery of the hydraulic oil.
  • the opening area determining unit 154 determines the opening area A before the calculating unit 151 calculates the duty ratio for controlling the low-voltage side switch 103 and the high-voltage side switch 104.
  • the resolution of the flow control of the hydraulic oil discharged from the boom cylinder 20 is reduced. It becomes possible to improve.
  • the opening area A (A1) of the low voltage side switch 103 and the high voltage side switch 104 is set to the same area. In this case, when the inflow destination of the working fluid communicating with the inertial fluid container 102 is switched between the low-pressure side switch 103 and the high-pressure side switch 104, the cross-sectional area of the opening does not change. Can be maintained stably.
  • the regenerative device 100 and the hydraulic excavator 10 including the same according to the embodiment of the present invention have been described above.
  • the energy of the hydraulic oil is regenerated while controlling the flow rate of the hydraulic oil discharged from the boom cylinder 20 according to the operation amount of the operation lever 107 operated by the operator. Can do.
  • the accuracy (resolution) of the duty ratio control can be adjusted according to the use conditions of the actuator such as the boom cylinder 20.
  • FIG. 10 is a flowchart showing a regeneration process of the regeneration device 100 (energy regeneration device) according to a modified embodiment of the present invention. In this modified embodiment, points that differ from the previous embodiment will be described, and descriptions of common points will be omitted.
  • This modified embodiment is characterized in that it has a function of preventing the backflow of hydraulic oil from the accumulator 105 to the inertial fluid container 102 in advance.
  • the duty ratio d (d1) for controlling the opening time of the high-voltage side switch 104 approaches 1, the regeneration rate ⁇ decreases.
  • the duty ratio is set to dc or more (the flow rate Q is Qc or less), the regeneration rate ⁇ becomes 0, and the backflow from the accumulator 105 (FIG. 3) to the boom cylinder 20 occurs.
  • the regenerative limit duty ratio dc (threshold), which is the limit (condition) at which this backflow does not occur, is obtained in advance through experiments or analysis, and is stored in the storage unit 152 (FIG. 4). Yes.
  • steps S11 to S15 correspond to steps S1 to S5 in FIG.
  • step S16 the regeneration control unit 1 53 is operated by the operation unit 151 last time, and the duty ratio d1 stored in the storage unit 152 is less than the regenerative limit duty ratio dc. Is determined (step S16).
  • the calculation unit 151 causes the low-voltage side switch 103 to be similar to the previous embodiment.
  • the duty ratio d1 of the high voltage side switch 104 is newly calculated (step S17 in FIG. 10).
  • the regeneration control unit 153 stores the calculated duty ratio d1 in the storage unit 152. Note that when the excavator 10 is used for the first time, the initial value of the duty ratio d1 is stored in the storage unit 152 in advance. For this reason, in step S18, the calculated duty ratio d1 may be stored so as to update the initial value. Thereafter, as in the previous embodiment, the regeneration control unit 153 performs the opening / closing operation of the low-pressure side switch 103 and the high-pressure side switch 104 (steps S19 and S20).
  • the calculation unit 151 first uses the following equation 7 to prevent backflow.
  • the duty ratio d2 is calculated (step S21).
  • This backflow prevention duty ratio d2 is set so that the target flow rate Q1 of the hydraulic oil is maintained even when only the low-pressure side switch 103 is opened.
  • the backflow prevention duty ratio d2 may be calculated in advance and stored in the storage unit 152.
  • Cv is the flow coefficient (constant) of the low-pressure side switch 103
  • A is the opening area of the opening of the low-pressure side switch 103
  • Ph is the discharge pressure detected by the first pressure gauge 111. It is.
  • the regeneration control part 153 closes the opening part of the high voltage
  • the hydraulic oil is not regenerated, but the hydraulic oil is discharged to the oil tank 110 while the flow rate of the hydraulic oil is maintained at the target value Q1.
  • the regenerative processing operation is repeated according to the operation state of the operation lever 107 (step S20).
  • the energy of the boom cylinder 20 can be regenerated by the accumulator 105 in the region where the hydraulic oil can be regenerated (see the regenerative region in FIG. 6).
  • backflow from the accumulator 105 to the boom cylinder 20 can be prevented under conditions where it is difficult to regenerate hydraulic oil (see the backflow region in FIG. 6).
  • the regenerative limit flow rate Qc shown in FIG.
  • a check valve (not shown) may be provided upstream or downstream of the high-pressure side switch 104 in order to reliably prevent hydraulic fluid from flowing backward from the accumulator 105 to the boom cylinder 20 side.
  • a check valve (not shown) may be provided upstream or downstream of the high-pressure side switch 104 in order to reliably prevent hydraulic fluid from flowing backward from the accumulator 105 to the boom cylinder 20 side.
  • the opening area of the opening of the low-pressure side switch 103 is constant. For this reason, a rapid change in the speed of the hydraulic oil is suppressed due to a change in the area of the opening on the low-pressure side switch 103 side.
  • the first pressure gauge 111 (FIG. 3) has been described in the form of actually measuring and acquiring Ph (discharge pressure), but the present invention is limited to this. is not.
  • the value of Ph (Ph0) may be estimated by the above-described Expression 3, and the acquired estimated value may be used at the time of calculation based on Expression 5.
  • step S6 of FIG. 9 the calculation unit 151 can calculate the duty ratio d1 using the following expressions 8, 9, and 10 instead of the above expression 6.
  • Expression 8 Ah is the opening area of the high-voltage side switch 104, and in Expression 9, Ar is the opening area of the low-pressure side switch 103.
  • Q1 in Expression 10 is a target flow rate of the hydraulic oil discharged from the boom cylinder 20
  • Q1h is a flow rate of the hydraulic oil passing through the high-pressure side switch 104 in Q1
  • Q1r is a low-pressure side opening / closing in Q1.
  • Other constants and variables are the same as those in the above-described embodiment.
  • the calculation unit 151 calculates a value of d1 that satisfies Expressions 8 to 10 by numerical analysis or the like.
  • the relationship between the duty ratio d1 and the target flow rate Q1 of the hydraulic fluid may be stored in the calculation unit 151 as information such as a map or a table, and the information may be used for subsequent control.
  • the energy of the boom cylinder 20 is set.
  • the accumulator 105 can be regenerated.
  • the accumulator 105 is used as the high-pressure side container of the present invention, but the present invention is not limited to this.
  • the high pressure side container may be provided with a known regenerative motor, and the regenerative motor may be rotationally driven by the energy of the working fluid that has flowed out of the inertial fluid container 102.
  • the arm cylinder 22 of FIG. 1 may function as a high-pressure side container, and the working oil (working fluid) flowing out from the inertial fluid container 102 may be supplied to the arm cylinder 22. In this case, the arm pushing operation is assisted by the supplied hydraulic oil.
  • the opening area determination part 154 sets the opening area A of the low voltage
  • the opening area determining unit 154 opens the opening area when the use condition of the excavator 10 is a use condition that requires the first flow rate as the maximum flow rate of the hydraulic oil discharged from the head-side hydraulic chamber 203 of the boom cylinder 20.
  • A is determined as A1 (first area) in FIG. 8A and FIG.
  • the opening area determination unit 154 is a second state where the operating condition of the hydraulic excavator 10 is smaller than the first flow rate as the maximum flow rate of hydraulic oil.
  • the opening area A may be determined as A2 (A2 ⁇ A1) (second area) in FIG.
  • the precision of the duty ratio control is set high under use conditions where the maximum flow rate of the hydraulic oil is small, as in the case where a composite operation is performed by the operation lever 107. For this reason, the energy of the hydraulic oil discharged from the boom cylinder 20 can be collected in the accumulator 105 while driving the boom 17 connected to the boom cylinder 20 with high accuracy.
  • the opening area determination unit 154 determines the opening area A when the use condition of the excavator 10 is a use condition that requires the first accuracy for the position control of the boom 17. 8A and 8B is determined as A1 (first area), and the use condition of the hydraulic excavator 10 is a use condition that requires a second accuracy higher than the first accuracy as the position control of the boom 17. In some cases, the opening area A may be determined as A2 (A2 ⁇ A1) (second area) in FIGS. 8A and 8B. In this case, the duty ratio control accuracy is set high under use conditions where high accuracy is required for the position control of the boom 17. For this reason, the energy of the hydraulic oil discharged from the boom cylinder 20 can be collected in the accumulator 105 while driving the boom 17 connected to the boom cylinder 20 with high accuracy.
  • the present invention provides an energy regeneration device that regenerates the energy of a working fluid, and includes a cylinder and a piston that can reciprocate within the cylinder, and the cylinder and the piston. And a first internal space communicating with the cylinder fluid chamber.
  • the cylinder fluid chamber discharges from the cylinder fluid chamber as the piston moves.
  • An inertial fluid container that receives the working fluid, and a second internal space that is set at a lower pressure than the cylinder fluid chamber and communicates with the first internal space of the inertial fluid container, and flows out of the inertial fluid container
  • a second pressure acquisition unit that acquires a high-pressure side pressure of the working fluid in the above, an opening area determination unit that determines an opening area of the high-pressure side opening and the low-pressure side opening according to a use condition of the actuator; For controlling the opening time of the low-pressure side opening and the high-pressure side opening within a predetermined period when the piston moves at a preset moving speed in the direction of reducing the volume of the cylinder fluid chamber A calculation unit that calculates a duty ratio, the opening area of the high-pressure side opening and the low-pressure side opening determined by the opening area determination unit, and set according to the moving speed of the piston, The target flow rate of the working fluid discharged from the cylinder fluid chamber, the discharge pressure acquired by the first pressure acquisition unit, and the high level acquired by the second pressure acquisition unit A calculation unit that calculates the duty ratio based on the pressure side pressure, and the communication destination of the inertial fluid container according to the duty ratio so as to be alternately switched between the low pressure side container and the high pressure side container.
  • the working fluid flows toward the low-pressure side container while moving the piston at the moving speed.
  • a switch control unit that causes the working fluid to flow into the high-pressure side container by an inertial force generated in the first internal space.
  • the switch control unit controls the switching operation of the high-voltage side switch and the low-voltage side switch according to the duty ratio calculated by the calculation unit.
  • the energy of the working fluid discharged from the actuator can be recovered in the high-pressure side container, and the discharge flow rate of the actuator can be controlled.
  • the opening area determination unit determines the opening areas of the high-pressure side opening and the low-pressure side opening in accordance with the use conditions of the actuator. For this reason, the accuracy (resolution) of duty ratio control can be adjusted according to the use conditions of the actuator.
  • the opening area of the high-pressure side opening and the low-pressure side opening is A
  • the discharge pressure of the working fluid acquired by the first pressure acquisition unit is Ph
  • the second pressure acquisition unit The high pressure side pressure of the working fluid to be acquired is Pacc
  • the target flow rate of the working fluid is Q1
  • the high pressure side duty ratio for controlling the opening time of the high pressure side opening in the cycle is d1
  • the duty ratio on the low-pressure side for controlling the opening time of the low-pressure side opening in the cycle is 1-d1
  • the constant preset for the high-pressure side switch and the low-pressure side switch is Cv
  • the opening area of the high-pressure side opening and the low-pressure side opening are set to the same value, and the inflow destination of the working fluid is switched between the high-pressure side container and the low-pressure side container, thereby discharging from the actuator.
  • the flow of the working fluid can be maintained stably.
  • the flow of the working fluid discharged from the actuator can be stably maintained by switching the inflow destination of the working fluid between the high-pressure side container and the low-pressure side container at high speed.
  • a storage unit that stores a preset threshold value for the duty ratio on the high voltage side, and when the duty ratio on the high voltage side calculated by the calculation unit is equal to or greater than the threshold value, The switch controller closes the high-pressure side opening of the high-pressure side switch and opens and closes the low-pressure side opening based on a backflow prevention duty ratio set according to the target flow rate of the working fluid. It is desirable to make it.
  • This configuration can prevent the working fluid from flowing backward from the high-pressure side container to the actuator side.
  • This configuration can prevent the working fluid from flowing backward from the high-pressure side container to the actuator side.
  • the working fluid can be allowed to flow into the low-pressure side container while controlling the discharge flow rate of the actuator.
  • the high-pressure side container is preferably an accumulator that accumulates the pressure of the working fluid.
  • the energy after accumulating the energy of the working fluid discharged from the actuator in the accumulator, the energy can be used for other purposes.
  • a work machine and the work machine is driven by being coupled to the engine, the energy regeneration device according to any one of the above, and the piston of the actuator of the energy regeneration device.
  • a body a pump driven by the engine and discharging the working fluid supplied to the cylinder fluid chamber of the actuator, and disposed between the pump and the actuator in the flow path of the working fluid,
  • a control valve that drives the actuator by controlling the flow rate of the working fluid supplied to the fluid chamber, an operation lever that receives an operation for commanding to drive the driven body, and an operation that is given to the operation lever
  • the actuator that controls the movement of the actuator by operating the control valve according to the amount of And a control unit, wherein the target flow rate of the working fluid discharged from the cylinder fluid chamber is set according to the amount of operation applied to the operating lever.
  • the energy of the working fluid can be regenerated while controlling the flow rate of the working fluid discharged from the actuator according to the amount of operation of the operation lever operated by the operator.
  • the opening area determination unit sets the opening area to the first position.
  • the opening area is determined to be a second area smaller than the first area.
  • the duty ratio control accuracy is set high under use conditions where high accuracy is required for position control of the driven body. For this reason, the energy of the working fluid discharged
  • the use condition of the actuator for driving the driven body is a use condition that requires a first flow rate as the maximum flow rate of the working fluid discharged from the cylinder fluid chamber
  • the opening area determining unit determines the opening area as a first area, and the use condition of the actuator is smaller than the first flow rate as the maximum flow rate of the working fluid discharged from the cylinder fluid chamber.
  • the opening area determining unit determines the opening area to be a second area smaller than the first area.
  • the duty ratio control accuracy is set high under use conditions where the maximum flow rate of the working fluid is small. For this reason, the energy of the working fluid discharged

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Abstract

アクチュエータから排出される作動流体の流量を制御しながら、作動流体のエネルギーを回生させることが可能なエネルギー回生装置、およびこれを備えた作業機械を提供する。回生装置（１００）は、ブームシリンダ（２０）と、慣性流体容器（１０２）と、油タンク（１１０）と、アキュムレータ（１０５）と、低圧側開閉器（１０３）と、高圧側開閉器（１０４）と、を備える。演算部（１５１）は、ブームシリンダ（２０）から排出される作動油の目標流量に応じて、低圧側開閉器（１０３）および高圧側開閉器（１０４）の開閉用のデューティ比を演算する。回生制御部（１５３）は、演算されたデューティ比に基づいて慣性流体容器（１０２）の連通先を低圧側開閉器（１０３）と高圧側開閉器（１０４）との間で交互に切り替え、排出された作動油をアキュムレータ（１０５）に供給する。

Description

エネルギー回生装置、およびこれを備えた作業機械
　本発明は、アクチュエータから吐出された作動流体のエネルギーを回生させるエネルギー回生装置、およびこれを備えた作業機械に関するものである。
　従来、作業機械の油圧回路において作動油の流量を調整する手段として、バルブの絞り効果によって作動油の通過流量を制御する技術が知られている。また、アクチュエータから吐出された作動油の圧力エネルギーを、アキュムレータに回収するエネルギー回生装置が知られている。作動油は高圧側から低圧側に流れるため、アキュムレータの圧力がアクチュエータ側の圧力以上である場合、アキュムレータ側への作動油の回収が困難となる。したがって、アキュムレータに作動油を安定して回収するためには、アキュムレータの圧力をアクチュエータ側よりも低圧に設定しておく必要がある。また、アキュムレータの内圧の変動幅を抑えるためには、アキュムレータの容量を大きくする必要がある。このため、アキュムレータの大型化によって装置の大型化やコストの増大を招く問題があった。
　一方、特許文献１には、アクチュエータの排出側に連通される慣性流体容器と、高圧側容器および低圧側容器と、を備え、慣性流体容器を高圧側容器および低圧側容器に交互に連通させることにより、流体の慣性を利用して作動流体のエネルギーを高圧側容器側に回収する技術が開示されている。
　当該エネルギー回生装置では、高圧側開閉器が閉じられるとともに低圧側開閉器が開かれると、作動流体が慣性流体容器から低圧側容器に流入する。この際、作動流体の流れにより、慣性流体容器内に流体の慣性力が発生する。この後、低圧側開閉器が閉じられるとともに高圧側開閉器が開かれると、慣性流体容器に発生した流体の慣性力により、高圧側開閉器へ作動流体が流入する。この結果、作動流体の圧力を高圧側開閉器に蓄圧することができる。
特開２０１４－１６３４１９号公報
　建設現場などで使用される作業機械では、オペレータによる操作レバーの操作量に応じて、流体式アクチュエータの作動速度が制御される。特許文献１に記載された技術では、作動流体のエネルギー回生を行う場合、流体式アクチュエータの作動速度が目標速度に制御できない。このため、操作レバーの操作量と流体式アクチュエータの作動速度とが対応しないという問題があった。
　本発明は、アクチュエータから排出される作動流体の流量を制御しながら、作動流体のエネルギーを回生させることが可能なエネルギー回生装置、およびこれを備えた作業機械を提供することを目的とする。
　提供されるのは、作動流体のエネルギーを回生させるエネルギー回生装置であって、シリンダと、前記シリンダ内で往復移動可能なピストンと、を備え、前記シリンダおよび前記ピストンによって画定されるシリンダ流体室の容積が前記ピストンの移動に伴って変化する、アクチュエータと、前記シリンダ流体室に連通する第１内部空間を備え、前記ピストンの移動に伴って前記シリンダ流体室から吐出された前記作動流体を受け入れる慣性流体容器と、前記シリンダ流体室よりも低圧に設定され前記慣性流体容器の前記第１内部空間に連通する第２内部空間を備え、前記慣性流体容器から流出した前記作動流体を受け入れる低圧側容器と、前記低圧側容器の前記第２内部空間よりも高圧に設定され前記慣性流体容器の前記第１内部空間に連通する第３内部空間を備え、前記慣性流体容器から流出した前記作動流体を受け入れる高圧側容器と、前記慣性流体容器と前記低圧側容器との間での前記作動流体の流通を許容する低圧側開口部を形成し、前記低圧側開口部の開口面積を変化させるように作動する低圧側開閉器と、前記高圧側容器と前記慣性流体容器との間での前記作動流体の流通を許容する高圧側開口部を形成し、前記高圧側開口部の開口面積を変化させるように作動する高圧側開閉器と、前記シリンダ流体室から流出する前記作動流体の流れにおいて前記慣性流体容器よりも上流側における前記作動流体の吐出圧力を取得する第１圧力取得部と、前記シリンダ流体室から流出する前記作動流体の流れにおいて前記高圧側開閉器よりも下流側における前記作動流体の高圧側圧力を取得する第２圧力取得部と、前記アクチュエータの使用条件に応じて、前記高圧側開口部および前記低圧側開口部の開口面積を決定する開口面積決定部と、前記ピストンが前記シリンダ流体室の容積を縮小する方向に予め設定された移動速度で移動する場合についての所定の周期内における前記低圧側開口部および前記高圧側開口部の開口時間を制御するためのデューティ比を演算する演算部であって、前記開口面積決定部によって決定された前記高圧側開口部および前記低圧側開口部の前記開口面積と、前記ピストンの移動速度に応じて設定された、前記シリンダ流体室から吐出される前記作動流体の目標流量と、前記第１圧力取得部が取得した前記吐出圧力と、前記第２圧力取得部が取得した前記高圧側圧力と、に基づいて前記デューティ比を演算する演算部と、前記慣性流体容器の連通先を前記低圧側容器と前記高圧側容器との間で交互に切り替えるように前記デューティ比に応じて前記高圧側開閉器および前記低圧側開閉器の開閉動作を制御することで、前記ピストンを前記移動速度で移動させながら、前記作動流体が前記低圧側容器に向かって流動する際に前記慣性流体容器の前記第１内部空間に発生した慣性力によって前記作動流体を前記高圧側容器に流入させる開閉器制御部と、を備える。
　また、提供されるのは作業機械であって、当該作業機械は、エンジンと、上記に記載のエネルギー回生装置と、前記エネルギー回生装置の前記アクチュエータの前記ピストンに連結された被駆動体と、前記エンジンによって駆動され、前記アクチュエータの前記シリンダ流体室に供給される前記作動流体を吐出するポンプと、前記作動流体の流路において前記ポンプと前記アクチュエータとの間に配置され、前記シリンダ流体室に供給される前記作動流体の流量を制御することで前記アクチュエータを駆動するコントロール弁と、前記被駆動体を駆動する指令のための操作を受ける操作レバーと、前記操作レバーに与えられる操作の量に応じて前記コントロール弁を操作することによって前記アクチュエータの動きを制御する駆動制御部と、を備え、前記シリンダ流体室から吐出される前記作動流体の前記目標流量は、前記操作レバーに与えられる操作の量に応じて設定されている。
本発明の一実施形態に係る作業機械の模式的な側面図である。 図１に示す作業機械のシステム構成の一例を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る作業機械に備えられるエネルギー回生装置の油圧回路図である。 本発明の一実施形態に係る作業機械のコントローラのブロック図である。 本発明の一実施形態に係るエネルギー回生装置に備えられる開閉器の開口時間と各開閉器の開度との関係を示したグラフである。 本発明の一実施形態に係るエネルギー回生装置に備えられる開閉器の開口面積を制御するデューティ比と作動流体の流量およびエネルギー回生率との関係を示したグラフである。 本発明の一実施形態に係る作業機械の操作レバーの操作量と作動流体の目標流量との関係を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係るエネルギー回生装置において、開閉器の開口面積を制御するデューティ比と作動流体の流量との関係を示したグラフである。 本発明の一実施形態に係るエネルギー回生装置において、デューティ比の制御範囲と作動流体の流量との関係を示したグラフである。 本発明の一実施形態に係るエネルギー回生装置の回生処理を示すフローチャートである。 本発明の変形実施形態に係るエネルギー回生装置の回生処理を示すフローチャートである。
　以下、図面を参照しつつ、本発明の各実施形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る油圧ショベル１０（作業機械）の側面図である。なお、図１には、「上」、「下」、「前」および「後」の方向が示されているが、当該方向は、本実施形態に係る油圧ショベル１０の構造を説明するために便宜上示すものであり、本発明に係る作業機械の使用態様などを限定するものではない。
　油圧ショベル１０は、下部走行体１１と、下部走行体１１の上に縦軸回りに旋回可能に支持された上部旋回体１２と、を備える。下部走行体１１および上部旋回体１２は、油圧ショベル１０のベースを構成する。上部旋回体１２は、上部フレーム１３と、上部フレーム１３の上に備えられた運転室１４およびカウンタウエイト１５と、を備える。上部フレーム１３は、水平方向に沿って延びる板状部材からなる。運転室１４には、油圧ショベル１０の作業者が操作する操作部（操作レバー１０７）などが備えられている。カウンタウエイト１５は、上部フレーム１３の後方部分に備えられ、油圧ショベル１０のバランスを保持する機能を備えている。
　更に、上部フレーム１３の前方部分には、作業アタッチメント１６が装着されている。作業アタッチメント１６は、不図示の支持機構によって上部フレーム１３に支持されている。作業アタッチメント１６は、上部旋回体１２に起伏可能に装着されるブーム１７と、このブーム１７の先端に回動可能に連結されるアーム１８と、このアーム１８の先端に回動可能に連結されるバケット１９と、を備える。
　作業アタッチメント１６には、ブーム用油圧アクチュエータであるブームシリンダ２０と、アーム用油圧アクチュエータであるアームシリンダ２１と、バケット用油圧アクチュエータであるバケットシリンダ２２と、が装着され、これらのシリンダは伸縮可能な油圧シリンダにより構成される。ブームシリンダ２０は、作動油の供給を受けることにより伸縮してブーム１７を起伏方向に回動させるようにブーム１７と上部旋回体１２との間に介在する。アームシリンダ２１は、作動油の供給を受けることにより伸縮してアーム１８をブーム１７に対して水平軸回りに回動させるようにアーム１８とブーム１７との間に介在する。更に、バケットシリンダ２２は、作動油の供給を受けることにより伸縮してバケット１９をアーム１８に対して水平軸回りに回動させるようにバケット１９とアーム１８との間に介在する。
　なお、本発明が適用される作業機械は油圧ショベル１０に限定されない。本発明は、油圧などの流体圧によって駆動される駆動対象物を含む作業機械に広く適用されることが可能である。なお、作業アタッチメントとしては、バケットに加え、破砕機、解体機などが採用できる。
　図２は、図１に示す油圧ショベル１０のシステム構成の一例を示すブロック図である。油圧ショベル１０は、エンジン２１０と、エンジン２１０の出力軸に連結された油圧ポンプ２５０（ポンプ）と、油圧ポンプ２５０からブームシリンダ２０に対する作動油の給排を制御するコントロールバルブ２６０（コントロール弁）と、コントローラ１０６と、操作レバー１０７と、を備えている。
　油圧ポンプ２５０は、エンジン２１０の動力により作動して、作動油を吐出する。油圧ポンプ２５０から吐出された作動油は、コントロールバルブ２６０によって流量制御された状態で、ブームシリンダ２０の後記のヘッド側油圧室２０３（図３）またはロッド側油圧室２０４に供給される。この結果、ブームシリンダ２０のピストンロッド２０２Ａ（図３）に連結されたブーム１７が駆動される。
　コントロールバルブ２６０は、作動油の流路において油圧ポンプ２５０とブームシリンダ２０との間に配置されている。コントロールバルブ２６０は、ブームシリンダ２０のヘッド側油圧室２０３またはロッド側油圧室２０４に供給される作動油の流量を制御することでブームシリンダ２０を駆動する。コントロールバルブ２６０は、コントローラ１０６によって電気的に制御されるものであって、パイロット操作式の油圧切替弁と、電磁比例弁とを備えている。油圧切替弁は、不図示のパイロットポートを備えている。油圧切替弁は、当該パイロットポートに入力されるパイロット圧に応じて開弁動作を行い、ブームシ リンダ２０に供給される作動油の流量を変化させる。また、油圧切替弁は、作動油の供給先を、ブームシリンダ２０のヘッド側油圧室２０３（図３）とロッド側油圧室２０４との間で切り替える。電磁比例弁は、油圧切替弁に入力されるパイロット圧を変化させるために、コントローラ１０６から入力される制御信号に応じて油圧切替弁に流入するパイロット用の油の流量を調整する。
　コントローラ１０６は、操作レバー１０７の操作量に応じて、上記のコントロールバルブ２６０の電磁比例弁の開度を設定するための制御信号を出力する。操作レバー１０７は、運転室１４の内部に備えられ、作業者によって操作される。操作レバー１０７は、ブーム１７を含む作業アタッチメント１６を駆動する指令のための操作を受ける。本実施形態では、ブーム１７、アーム１８、バケット１９の各動作および上部旋回体１２の旋回動作に応じて、複数の操作レバー１０７が設けられている。なお、操作レバー１０７の操作方向が複数設けられることによって、上記の複数の部材の操作が共通の操作レバー１０７によって割り当てられてもよい。
　ブームシリンダ２０は、作動油の供給を受けて伸縮する。なお、図２では、コントロールバルブ２６０がブームシリンダ２０と油圧ポンプ２５０との間に配置される態様で示しているが、図１のアームシリンダ２１およびバケットシリンダ２２と油圧ポンプ２５０との間にも、それぞれ同様のコントロールバルブ２６０が備えられている。コントローラ１０６の制御信号を受けて、各シリンダは独立して制御可能とされる。
　更に、図２に示すように、油圧ショベル１０は、回生装置１００（エネルギー回生装置）を備えている。回生装置１００は、ブームシリンダ２０から吐出された作動油のエネルギーを回生させる機能を備えている。図３は、回生装置１００の油圧回路図である。また、図４は、コントローラ１０６のブロック図である。
　回生装置１００は、前述のブームシリンダ２０（アクチュエータ）、コントローラ１０６に加え、慣性流体容器１０２と、低圧側開閉器１０３と、高圧側開閉器１０４と、アキュムレータ１０５（高圧側容器）と、チェック弁１０９と、油タンク１１０（低圧側容器）と、第１圧力計１１１（第１圧力取得部）と、第２圧力計１１２（第２圧力取得部）と、を備える。
　前述のブームシリンダ２０は、シリンダ２０１と、ピストン２０２と、ピストンロッド２０２Ａと、を備える。ピストン２０２は、シリンダ２０１内で往復移動可能とされる。シリンダ２０１およびピストン２０２によって、ヘッド側油圧室２０３（シリンダ流体室）と、ロッド側油圧室２０４と、が画定される。ピストン２０２の一方の側面にはピストンロッド２０２Ａが接続されている。ピストンロッド２０２Ａの先端には、ブームシリンダ２０の作動負荷となる前述のブーム１７（被駆動体）が連結されている。
　ヘッド側油圧室２０３は、シリンダ２０１の内部に形成され作動油（作動流体）が封入される。ヘッド側油圧室２０３の容積は、ピストン２０２の往復移動に伴って変化する。同様に、ロッド側油圧室２０４は、シリンダ２０１の内部に形成され作動油が封入される。ロッド側油圧室２０４の容積は、ピストン２０２の往復移動に伴って可変とされる。すなわち、図３において、ピストン２０２が上昇する場合、ヘッド側油圧室２０３の容積が増大しロッド側油圧室２０４の容積が縮小する。一方、ピストン２０２が下降する場合、ヘッド側油圧室２０３の容積が縮小しロッド側油圧室２０４の容積が増大する。
　慣性流体容器１０２は、ブームシリンダ２０のヘッド側油圧室２０３に連通する内部空間（第１内部空間）を備えている。慣性流体容器１０２は、ピストン２０２の移動に伴ってヘッド側油圧室２０３から吐出された作動油を受け入れる。本実施形態では、慣性流体 容器１０２は、所定の内径を備えたパイプからなる。
　油タンク１１０は、ブームシリンダ２０のヘッド側油圧室２０３よりも低圧に設定された内部空間（第２内部空間）を備えている。当該油タンク１１０の内部空間は、慣性流体容器１０２の内部空間に連通する。油タンク１１０は、慣性流体容器１０２から流出した作動油を受け入れる。アキュムレータ１０５は、油タンク１１０の内部空間よりも高圧に設定された内部空間（第３内部空間）を備えている。当該アキュムレータ１０５の内部空間は、慣性流体容器１０２の内部空間に連通する。アキュムレータ１０５は、慣性流体容器１０２から流出した作動油を受け入れる。この際、アキュムレータ１０５は、作動油の圧力を蓄圧する。
　低圧側開閉器１０３は、慣性流体容器１０２と油タンク１１０との間に配置された開閉弁（メータリング弁）である。詳しくは、低圧側開閉器１０３は、弁体のストロークに対して開度が連続的に変化するメータリング機能を有する弁構造を備えている。低圧側開閉器１０３は、慣性流体容器１０２と油タンク１１０との間での作動油の流通を許容する不図示の開口部（低圧側開口部）を形成し、慣性流体容器１０２と油タンク１１０とを連通および遮断する。そして、低圧側開閉器１０３は、上記の開口部の開口面積を変化させるように作動する。
　同様に、高圧側開閉器１０４は、慣性流体容器１０２とアキュムレータ１０５との間に配置された開閉弁（メータリング弁）である。高圧側開閉器１０４も、弁体のストロークに対して開度が連続的に変化するメータリング機能を有する弁構造を備えている。高圧側開閉器１０４は、慣性流体容器１０２とアキュムレータ１０５との間での作動油の流通を許容する不図示の開口部（高圧側開口部）を形成し、慣性流体容器１０２とアキュムレータ１０５とを連通および遮断する。そして、高圧側開閉器１０４は、上記の開口部の開口面積を変化させるように作動する。なお、低圧側開閉器１０３の低圧側開口部および高圧側開閉器１０４の高圧側開口部の開口面積は予め所定の開口面積Ａ１に設定されており、後記のように、必要に応じてその開口面積が調整される。
　第１圧力計１１１は、慣性流体容器１０２よりもブームシリンダ２０のヘッド側油圧室２０３側における作動油の吐出圧力Ｐｈを検出（取得）する。換言すれば、第１圧力計１１１は、ヘッド側油圧室２０３から流出する作動油の流れにおいて、慣性流体容器１０２よりも上流側における作動油の吐出圧力Ｐｈを検出する。また、第２圧力計１１２は、高圧側開閉器１０４よりもアキュムレータ１０５側における作動油の高圧側圧力Ｐａｃｃ（アキュムレータ圧）を検出（取得）する。換言すれば、第２圧力計１１２は、ヘッド側油圧室２０３から流出する作動油の流れにおいて、高圧側開閉器１０４よりも下流側における作動油の高圧側圧力Ｐａｃｃを検出する。
　なお、油圧ショベル１０の内部には、ヘッド側油路Ｌ１とロッド側油路Ｌ２とが、それぞれ配設されている。ヘッド側油路Ｌ１では、作動油が、ブームシリンダ２０のヘッド側油圧室２０３から慣性流体容器１０２を介して低圧側開閉器１０３またはアキュムレータ１０５に至る。ロッド側油路Ｌ２では、作動油が、ロッド側油圧室２０４から油タンク１１０に至る。チェック弁１０９は、ブーム下げ動作時に、ブームシリンダ２０のロッド側油圧室２０４に対して不足流量を油タンク１１０から補う機能（アンチキャビチェック機能）を備えている。
　更に、油圧ショベル１０は、入力部１１５を備える（図４）。入力部１１５は、運転室１４に備えられており、不図示の操作パネルおよび表示部を含む。入力部１１５は、油圧ショベル１０の動作に関する制御命令を受け付ける。
　図４を参照して、コントローラ１０６は、油圧ショベル１０を統括的に制御するもので、制御信号の送受先として、操作レバー１０７、第１圧力計１１１、第２圧力計１１２、低圧側開閉器１０３、高圧側開閉器１０４および入力部１１５などに電気的に接続されている。コントローラ１０６は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、制御プログラムを記憶するＲＯＭ（Read Only Memory）、ＣＰＵの作業領域として使用されるＲＡＭ（Random Access Memory）等から構成され、ＣＰＵが前記制御プログラムを実行することにより、駆動制御部１５０、演算部１５１、記憶部１５２、回生制御部１５３（開閉器制御部）および開口面積決定部１５４を機能的に有するように動作する。
　駆動制御部１５０は、操作レバー１０７に与えられる操作の量に応じてコントロールバルブ２６０を操作することによってブームシリンダ２０の動きを制御する。また、本実施形態では、駆動制御部１５０は、後記のコントロールモードを実行する。
　演算部１５１は、ピストン２０２がブームシリンダ２０のヘッド側油圧室２０３の容積を縮小する方向に移動する場合についての低圧側開閉器１０３および高圧側開閉器１０４の開閉動作を制御するためのデューティ比ｄ１を演算する。このデューティ比ｄ１は、ブームシリンダ２０のヘッド側油圧室２０３から吐出される作動油の目標流量Ｑ１に応じて設定される。
　記憶部１５２は、操作レバー１０７の操作量に応じた作動油の目標流量Ｑ１の情報を記憶している。また、記憶部１５２は、作動油がアキュムレータ１０５側から慣性流体容器１０２側に逆流することを抑止するために、予め設定されたデューティ比閾値ｄｃ（閾値）を記憶している。これらの情報は、必要に応じて記憶部１５２から出力される。
　回生制御部１５３は、慣性流体容器１０２の連通先を油タンク１１０とアキュムレータ１０５との間で交互に切り替えるように、低圧側開閉器１０３および高圧側開閉器１０４の開閉動作を上記のデューティ比ｄ１に基づいて制御する。
　開口面積決定部１５４は、ブームシリンダ２０を含む油圧ショベル１０の使用条件に応じて、低圧側開閉器１０３および高圧側開閉器１０４の開口部の開口面積Ａを決定する。
　次に、図２乃至図４に加え、図５および図６を参照して、回生装置１００のエネルギー回生処理について説明する。図５は、回生装置１００に備えられる低圧側開閉器１０３および高圧側開閉器１０４の開口時間と各開閉器の開度との関係を示したグラフである。図６は、本実施形態に係る回生装置１００に備えられる低圧側開閉器１０３および高圧側開閉器１０４の開口面積を制御するデューティ比と作動油の流量およびエネルギー回生率との関係を示したグラフである。
　回生装置１００では、コントローラ１０６が高圧側開閉器１０４の開口部を閉じ、低圧側開閉器１０３の開口部を開くと、慣性流体容器１０２内の作動油が油タンク１１０に流入する。この際、作動油の流れにより慣性流体容器１０２の内部空間に流体の慣性力が発生する。次に、コントローラ１０６が低圧側開閉器１０３の開口部を閉じ、高圧側開閉器１０４の開口部を開くと、上記のように慣性流体容器１０２に発生した流体の慣性力によって、アキュムレータ１０５に作動油を流しこみ、蓄圧することができる。なお、アキュムレータ１０５の圧力が慣性流体容器１０２の圧力以上であっても、慣性流体容器１０２内に流体の慣性力が持続されている間は、作動油をアキュムレータ１０５に流しこみ、蓄圧することができる。
　なお、慣性流体容器１０２内の流体の慣性力は時間とともに低下する。このため、コントローラ１０６が再び高圧側開閉器１０４を閉じ、低圧側開閉器１０３を開くことで、流体の慣性力を回復させることができる。このため、コントローラ１０６は、低圧側開閉器 １０３および高圧側開閉器１０４の開閉周期を所定の周期で交互に切り替える。このような構成によれば、アキュムレータ１０５の圧力がブームシリンダ２０のヘッド側油圧室２０３の圧力以上であっても、アキュムレータ１０５にエネルギーを回生し蓄圧することが可能となる。
　図５を参照して、エネルギー回収動作を行う場合は、コントローラ１０６が低圧側開閉器１０３および高圧側開閉器１０４の開放および遮断動作（開閉動作）を交互に高速で切り替える。詳しくは、図４に示すように、コントローラ１０６の回生制御部１５３は、制御電流出力部と、変換器（ＰＷＭ変換器）と、駆動回路と、を備えている。制御電流出力部は、低圧側開閉器１０３および高圧側開閉器１０４の開閉動作を制御するためのパルス信号を出力する。ここで、パルス信号は所定の矩形波からなり、当該パルス信号のデューティ比ｄによって低圧側開閉器１０３および高圧側開閉器１０４の開閉時間がそれぞれ制御される。図５を参照して、デューティ比ｄは後記の式１によって定義される。ここで、Ｔ１は低圧側開閉器１０３および高圧側開閉器１０４の開閉の１サイクルあたりの時間（周期）であり、Ｔ２は１サイクルにおいて高圧側開閉器１０４が開いている時間である。すなわち、式１で定義されるデューティ比ｄは、周期Ｔ１内における高圧側開口部１０４の開口時間を制御するための高圧側のデューティ比ｄ１に相当する。また、一例として、低圧側開閉器１０３および高圧側開閉器１０４の開閉動作を制御するためのパルス信号の周波数は、１００Ｈｚに設定されている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　なお、低圧側開閉器１０３が開いている時間は、Ｔ１－Ｔ２に相当する。このため、周期Ｔ１内における低圧側開口部１０３の開口時間を制御するための低圧側のデューティ比は、１－ｄ１に相当する。このように、作動油の流入先をアキュムレータ１０５と油タンク１１０との間で高速で切り替えることで、ブームシリンダ２０から排出される作動油の流れを安定して維持することができる。
　なお、回生装置１００の設計段階において、低圧側開閉器１０３および高圧側開閉器１０４の開口面積の最大値Ａｍａｘが設定される。ブームシリンダ２０から吐出される作動油の流量の最大値をＱｍａｘとした場合、低圧側開閉器１０３および高圧側開閉器１０４の開口面積の最大値Ａｍａｘは式２によって設計される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　Ｐｈは、第１圧力計１１１（図３）によって測定可能な作動油の吐出圧力であり、式２のＰｈ０は、設計段階でＡ１を決定するための吐出圧力設計値である。なお、油圧ショベル１０の実際の運転時には、吐出圧力Ｐｈは、ブーム１７の加減速時の慣性力あるいはブーム１７にかかる負荷の有無により変動する。このため、回生装置１００の設計段階では、ブームシリンダ２０の標準負荷に相当するブーム１７の質量をＭ、ブームシリンダ２０のヘッド側面積をＡｈとした場合、吐出圧力設計値Ｐｈ０は、下記の式３によって算出される。なお、式３でｇは重力加速度である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　図６は、低圧側開閉器１０３および高圧側開閉器１０４を制御するためのパルス信号のデューティ比ｄを変化させたときの作動油の流量Ｑおよび回生率η（回生効率）を示している。図６のグラフでは、低圧側開閉器１０３および高圧側開閉器１０４の各開口部の面積がいずれもＡ１に設定されている。なお、回生率ηとは、ブームシリンダ２０から吐出された作動油のエネルギーをアキュムレータ１０５側に回収する割合を示しており、下記の式４で定義される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　式４において、Ｑａｃｃは、アキュムレータ１０５に流入する作動油の流量であり、Ｑｈは、ブームシリンダ２０のヘッド側油圧室２０３から流出した作動油の流量である。Ｐａｃｃは、第２圧力計１１２によって計測されるアキュムレータ圧であり、Ｐｈは第１圧力計１１１によって計測される作動油の吐出圧である。
　図６を参照して、デューティ比ｄが１．０に近づくと作動油の流量が低下し、０に近づくと作動油の流量が増加する。このため、作動油の流量を高く維持するためにはデューティ比ｄを０に近づける方が好ましい。しかしながら、ディーティ比ｄが０に近づくと図６のように回生率ηが低下する。これは、デューティ比ｄ＝０の条件とは、常に低圧側開閉器１０３側が開かれ、高圧側開閉器１０４側が閉じている状態に相当するためである。このため、望ましい目標デューティ比ｄは、作動油の流量および回生効率ηの両立を図るために０と１の間であって、中央（０．５）に近い領域、特に０．３≦ｄ≦０．７の範囲に設定されることが好ましい。
　次に、油圧ショベル１０の運転時に、コントローラ１０６が実行する回生処理動作について説明する。図７は、本実施形態に係る油圧ショベル１０の操作レバー１０７の操作量とシリンダ目標流量Ｑ１との関係を示すグラフである。図７のグラフに対応するデータは、コントローラ１０６の記憶部１５２（図４）に記憶されている。シリンダ目標流量Ｑ１は、操作レバー１０７の操作量に応じてピストン２０２を所定の速度で移動させるために、ブームシリンダ２０から吐出される作動油の流量に相当する。
　油圧ショベル１０の作業者がブーム１７を操作するにあたって、操作レバー１０７の操作量に応じてブーム１７の移動速度が設定される。要求されるブーム１７の移動速度に等しくなるようにブームシリンダ２０のピストン２０２の移動速度が設定されることで、作業者の操作性が高く維持される。本実施形態では、ブーム１７（ピストン２０２）の移動速度（作動油の吐出流量）が制御可能とされながら、吐出される作動油のエネルギーをアキュムレータ１０５に回収するために、コントローラ１０６が回生処理動作を実行する。
　図８Ａは、本実施形態に係る回生装置１００において、各開閉器の開口面積を制御するデューティ比ｄと作動油の流量Ｑとの関係を示したグラフ、図８Ｂは、同デューティ比の制 御範囲Δｄと作動油の流量Ｑとの関係を示したグラフである。
　本実施形態では、作業アタッチメント１６の動きを制御する駆動制御部１５０は、油圧ショベル１０の通常操作時に動作するコントロールモードを備えている。操作レバー１０７を介して作業者によってブーム１７が通常操作される際には、作業者がレバーを大きく操作しブーム１７を駆動することがある。特に、ブーム下げ動作などのブームの単独操作が、このような操作に相当する。この場合、ブームシリンダ２０から吐出される作動油の最大流量は比較的大きくなる。一方、バケット１９の先端を用いた戻し操作（水平押し操作）や均し操作などの微操作が実行される場合には、細かい動作が要求されるため、上記のような単独操作時と比較して、ブームシリンダ２０から吐出される作動油の最大流量は小さく設定される。たとえば、ブーム下げ動作およびアーム押し動作が並行して実行される複合操作なども、このような操作に相当する。なお、水平押し操作では、アーム引き動作が支配的となるため、ブーム上げ速度が前述の単独操作時と比較して小さくなる。
　このため、本実施形態では、作業目的に応じて自動的に発動するコントロールモードが備えられている。コントロールモードでは、施工情報に応じて各シリンダの流量制御域が決定される。前述のように、バケット１９の先端を用いて戻し操作や均し操作が行われるために、予め施工面などの施工情報がコントローラ１０６の記憶部１５２（図４）に格納されている。油圧ショベル１０は、各アタッチ（ブーム１７、アーム１８およびバケット１９）の回動軸に備えられた不図示の角度計を備えている。コントローラ１０６は、これらの角度計の検出結果から、現在の各アタッチの姿勢情報を得ることができる。したがって、上記の施工情報に基づいて、戻し操作などの精度の高い作業が行われる際には、各アタッチの動作における目標速度が演算される。そして、当該演算された目標速度の設定範囲を満たすように、各シリンダの目標流量が自動的に制御される。なお、一例として、コントロールモードへの移行判断は、各アタッチの現在の姿勢や可動速度に基づいて行われる。高い精度が要求される戻し操作が行われるに際して、作業者がブームやバケットをゆっくりと操作し始めると、コントローラ１０６がコントロールモードを開始する。なお、戻し操作や均し操作などの操作の選択は、入力部１１５（図４）を介して入力されてもよい。また、コントロールモードが作動していない場合には、作業者による操作レバー１０７の操作に応じて、各アタッチが駆動される。
　油圧ショベル１０の通常作業において、作業に要求される精度に応じて、ブームシリンダ２０から吐出される作動油の流量制御最大値Ｑ１ｍａｘが決定される。なお、油圧ショベル１０の使用時の流量制御最大値Ｑ１ｍａｘは、前述のＱｍａｘ（式２）よりも小さな値である。
　図８Ａを参照して、ブームシリンダ２０から吐出される作動油の流量制御最大値Ｑ１ｍａｘが決定されると、低圧側開閉器１０３および高圧側開閉器１０４の開口部の開口面積Ａに応じて、デューティ比ｄの制御範囲Δｄが変化する。図８Ａでは、開口面積ＡがＡ１、Ａ２（＜Ａ１）の場合のデューティ比ｄと作動油の流量Ｑとの関係がそれぞれ示されている。各開口部の開口面積ＡがＡ１の場合、流量制御最大値Ｑｍａｘを含むように制御するためには、デューティ比ｄはΔｄ１の範囲に設定される必要がある。一方、各開口部の開口面積ＡがＡ２の場合、流量制御最大値Ｑｍａｘを含むように制御するためには、デューティ比ｄはΔｄ２の範囲に設定される必要がある。図８Ａに示すように、デューティ比制御範囲Δｄ１よりもΔｄ２の方が広い範囲のデューティ比を使用することができる。
　この結果、図８Ｂに示すように、デューティ比ｄを制御するための分解能（流量制御分解幅ΔＱ）が、開口面積Ａに応じて変化する。ここで、流量制御分解幅ΔＱは、式５によって算出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　なお、式５では、デューティ比制御範囲Δｄの一例として、図８ＡのΔｄ１が代入されている。この結果、流量制御分解幅ΔＱは、ΔＱ１として示されている。ここで、Ｎは制御分解能であり、コントローラ１０６のハード仕様に依存する値である（一般的にレジスタ数といわれる）。たとえば、コントローラ１０６の制御が８ビットの場合、Ｎ＝２５６となる。
　図８Ａ、図８Ｂを参照して、低圧側開閉器１０３および高圧側開閉器１０４の開口面積Ａが大きいほど、デューティ比の制御範囲Δｄは狭くなる。式５から、デューティ比の制御範囲Δｄが狭くなると、流量制御分解幅ΔＱが大きくなるため、流量制御分解能が低下する。このため、コントロールモードにおいてブームシリンダ２０の流量制御最大値Ｑ１ｍａｘが決定される場合には、デューティ比の制御範囲Δｄが極力大きく設定されるように低圧側開閉器１０３および高圧側開閉器１０４の開口面積Ａが設定されることが望ましい。この場合、流量制御分解幅ΔＱが小さくなり、流量制御分解能を向上させることができる。そして、流量制御分解能の向上は、特に油圧ショベル１０における微操作性の向上につながる。図８Ｂでは、低圧側開閉器１０３および高圧側開閉器１０４の開口面積ＡがＡ２に設定されると、デューティ比の制御範囲はΔｄ２（＞Δｄ１）、流量制御分解幅はΔＱ２（＜ΔＱ１）となるため、低圧側開閉器１０３および高圧側開閉器１０４の開口面積ＡがＡ１に設定される場合よりも流量制御分解能が向上される。
　図９は、本実施形態に係る回生装置１００の回生処理動作を示すフローチャートである。なお、本実施形態では、作業者がブーム１７を下降させる場合、すなわち、図３において、ピストン２０２が下降しヘッド側油圧室２０３の容積が縮小する際に、コントローラ１０６が回生処理動作を実行する。
　油圧ショベル１０の使用状態において、まず、コントローラ１０６の開口面積決定部１５４が、コントロールモードが作動しているか否かを確認する（図９のステップＳ１）。このコントロールモードは前述のように、施工情報に応じて演算された各アタッチの目標速度が満たされるように、各シリンダの目標流量を自動で制御するモードである。まず、コントロールモードが作動していない場合（ステップＳ１でＮＯ）、開口面積決定部１５４は、低圧側開閉器１０３および高圧側開閉器１０４の各開口部の開口面積Ａを予め設定されたＡ１（図８Ａ、図８Ｂ参照）に設定する（ステップＳ２）。一方、コントロールモードが作動している場合（ステップＳ１でＹＥＳ）、開口面積決定部１５４は、作動油の流量制御範囲に応じて、低圧側開閉器１０３および高圧側開閉器１０４の各開口部の開口面積Ａを決定する（ステップＳ３）。ここで、図８Ａに示すように、ブームシリンダ２０から吐出される作動油の最大流量がＱ１ｍａｘであり、作動油の流量制御範囲が０～Ｑ１ｍａｘの場合には、流量制御分解能を向上させるために開口面積決定部１５４は開口面積ＡをＡ２（Ａ２＜Ａ１）に設定する。
　次に、油圧ショベル１０の作業者によってブーム１７の下降動作が操作されると、コントローラ１０６は、操作レバー１０７の操作量に応じて、シリンダ目標流量Ｑ１（作動油の吐出流量）を決定する（図９のステップＳ４）。ここでは、記憶部１５２に格納された図７の情報（関係式）に基づいて、シリンダ目標流量Ｑ１（作動油の吐出流量）が決定される。
　次に、コントローラ１０６は、第１圧力計１１１および第２圧力計１１２を制御して、それぞれシリンダ吐出圧Ｐｈおよびアキュムレータ圧Ｐａｃｃを検出する（図９のステップＳ５）。
　更に、コントローラ１０６の演算部１５１は、ステップＳ４で決定されたシリンダ目標流量Ｑ１、ステップＳ５で検出されたシリンダ吐出圧Ｐｈおよびアキュムレータ圧Ｐａｃｃに加え、開口面積決定部１５４によって決定された低圧側開閉器１０３および高圧側開閉器１０４の開口部の開口面積Ａから、式６に基づいて、低圧側開閉器１０３および高圧側開閉器１０４の開閉動作を制御するためのデューティ比ｄを演算する（図９のステップＳ６）。なお、式６では、高圧側開閉器１０４の開閉動作を制御するためのデューティ比ｄ１が演算される。前述のように、低圧側開閉器１０３の開閉動作を制御するためのデューティ比は、１－ｄ１に相当する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　なお、式６においても、Ｃｖは低圧側開閉器１０３および高圧側開閉器１０４を構成するバルブの流量係数（定数）である。また、Ａは、開口面積決定部１５４によって決定された、低圧側開閉器１０３および高圧側開閉器１０４の各開口部の開口面積である。
　次に、コントローラ１０６は、上記で演算されたデューティ比ｄ１に応じて高圧側開閉器および低圧側開閉器の開閉動作を交互に制御する（図９のステップＳ７）。
　その後、作業者による操作レバー１０７の操作が継続されている場合（ステップＳ８でＹＥＳ）、コントローラ１０６は回生処理動作をステップＳ１から繰り返す。一方、操作レバー１０７の操作が終了した場合（ステップＳ８でＮＯ）、コントローラ１０６は回生処理動作を終了する。
　以上のように、本実施形態では、コントローラ１０６の演算部１５１は、ブームシリンダ２０のピストン２０２がヘッド側油圧室２０３の容積を縮小する方向に予め設定された移動速度で移動する場合についての所定の周期内における低圧側開閉器１０３および高圧側開閉器１０４の各開口部の開口時間を制御するためのデューティ比を演算する。この際、演算部１５１は、開口面積決定部１５４によって決定された低圧側開閉器１０３および高圧側開閉器１０４の各開口部の開口面積Ａと、ピストン２０２の移動速度に応じて設定された作動油の目標流量Ｑ１と、第１圧力計１１１が検出した吐出圧力Ｐｈと、第２圧力計１１２が検出した高圧側圧力Ｐａｃｃ（アキュムレータ圧）とに基づいて、上記のデューティ比（ｄ１）を演算する。そして、コントローラ１０６の回生制御部１５３は、慣性流体容器１０２の連通先を油タンク１１０とアキュムレータ１０５との間で交互に切り替えるように上記のデューティ比（ｄ１）に応じて低圧側開閉器１０３および高圧側開閉器１０４の開閉動作を制御する。この結果、回生制御部１５３は、ピストン２０２を所望の移動速度で移動させながら、作動油が油タンク１１０に向かって流動する際に慣性流体容器１０２の内部空間に発生した慣性力によって、作動油をアキュムレータ１０５に流入させる。このような処理によって、ブームシリンダ２０から排出される作動油のエネルギーをアキュムレータ１０５側に回収することが可能となるとともに、ブームシリンダ２０の排出流量を制御することが可能となる。このため、油圧ショベル１０のような作業機械において、作業者による操作レバー１０７の操作量に応じて、ブームシリンダ２０の作動速度を制御することが可能となる。したがって、作動油のエネルギー回収のために作業者による操作レバーの操作性が低下することが抑止される。また、ブームシリンダ２０の吐出圧Ｐｈがアキュムレータ１０５側のアキュムレータ圧Ｐａｃｃよりも高い場合であっても、上記のような回生制御を行うことで、ブームシリンダ２０から排出される作動油のエネルギーをアキュムレータ１０５側に回収することができる。
　更に、本実施形態では、演算部１５１が低圧側開閉器１０３および高圧側開閉器１０４を制御するためのデューティ比を演算するに先立って、開口面積決定部１５４が開口面積Ａを決定する。当該開口面積Ａは、駆動制御部１５０によってコントロールモードが作動されているか否かに応じて設定される。すなわち、微操作作業が実行される場合などのようにブーム１７の姿勢制御に高い精度が要求される場合には、ブームシリンダ２０から吐出される作動油の流量が高い分解能で制御される（図８ＢのＡ＝Ａ２参照）。一方、作業者の操作によって通常作業が実行される場合には、相対的に高い分解能が必要とされない。このため、上記の場合よりも、ブームシリンダ２０から吐出される作動油の流量は、相対的に低い分解能で制御される（図８ＢのＡ＝Ａ１参照）。このように、本実施形態では、低圧側開閉器１０３および高圧側開閉器１０４の開口面積Ａが固定されている場合と比較して、ブームシリンダ２０から吐出される作動油の流量制御の分解能を向上させることが可能となる。
　また、本実施形態では、低圧側開閉器１０３および高圧側開閉器１０４の開口面積Ａ（Ａ１）が同じ面積に設定されている。この場合、慣性流体容器１０２に連通する作動流体の流入先が低圧側開閉器１０３と高圧側開閉器１０４との間で切り替えられる際に、開口部の断面積が変化しないため、作動油の流れを安定して維持することができる。
　以上、本発明の一実施形態に係る回生装置１００およびこれを備えた油圧ショベル１０について説明した。このような油圧ショベル１０によれば、作業者によって操作される操作レバー１０７の操作量に応じて、ブームシリンダ２０から排出される作動油の流量を制御しながら、作動油のエネルギーを回生させることができる。また、ブームシリンダ２０などのアクチュエータの使用条件に応じて、デューティ比制御の精度（分解能）を調整することができる。
　なお、本発明はこれらの形態に限定されるものではない。本発明に係る作業機械として、以下のような変形実施形態が可能である。
　（１）上記の実施形態では、図９のステップＳ６において演算部１５１（図４）によってデューティ比ｄ１が演算されると、回生制御部１５３（図４）が低圧側開閉器１０３および高圧側開閉器１０４のデューティ比を上記のｄ１に基づいて設定する態様（図９のステップＳ７）にて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。図１０は、本発明の変形実施形態に係る回生装置１００（エネルギー回生装置）の回生処理を示すフローチャートである。なお、本変形実施形態では、先の実施形態と相違する点について説明し、共通する点の説明を省略する。
　本変形実施形態は、アキュムレータ１０５から慣性流体容器１０２への作動油の逆流を未然に防止する機能を備える点に特徴を有する。図６に示すように、高圧側開閉器１０４の開口時間を制御するデューティ比ｄ（ｄ１）が１に近づくに従って、回生率ηが低下する。更に、図６では、デューティ比がｄｃ以上（流量ＱがＱｃ以下）に設定された場合、回生率ηが０となり、アキュムレータ１０５（図３）からブームシリンダ２０への逆流が発生する。本変形実施形態では、この逆流が発生しない限界（条件）である、回生可能限界デューティ比ｄｃ（閾値）が、予め実験あるいは解析で求められており、記憶部１５２（図４）に記憶されている。
　図１０では、ステップＳ１１からステップＳ１５までは、図９のステップＳ１からステップＳ５に相当する。そして、本実施形態では、ステップＳ１６において、回生制御部１ ５３は、前回、演算部１５１によって演算され、記憶部１５２に格納されたデューティ比ｄ１が、回生可能限界デューティ比ｄｃを下回っているか否かを判断する（ステップＳ１６）。ここで、記憶部１５２に格納されたデューティ比ｄ１が、回生可能限界デューティ比ｄｃを下回っている場合（ステップＳ１６でＹＥＳ）、先の実施形態と同様に、演算部１５１が低圧側開閉器１０３および高圧側開閉器１０４のデューティ比ｄ１を新たに演算する（図１０のステップＳ１７）。その後、回生制御部１５３は、演算されたデューティ比ｄ１を記憶部１５２に格納する。なお、油圧ショベル１０が初めて使用される際には、予め記憶部１５２にはデューティ比ｄ１の初期値が記憶されている。このため、ステップＳ１８では、当該初期値を更新するように、演算されたデューティ比ｄ１が記憶されればよい。その後、先の実施形態と同様に、回生制御部１５３は、低圧側開閉器１０３および高圧側開閉器１０４の開閉動作を実行する（ステップＳ１９、Ｓ２０）。
　一方、ステップＳ１６において、記憶部１５２に格納されたデューティ比ｄ１が回生可能限界デューティ比ｄｃ以上の場合（ステップＳ１６でＮＯ）、まず、演算部１５１が、以下の式７に基づいて逆流防止用デューティ比ｄ２を演算する（ステップＳ２１）。この逆流防止用デューティ比ｄ２は、低圧側開閉器１０３のみが開口される場合でも、作動油の目標流量Ｑ１が維持されるように設定されている。なお、他の変形実施形態において、逆流防止用デューティ比ｄ２は予め演算され、記憶部１５２に記憶されてもよい。前述のように、Ｃｖは低圧側開閉器１０３の流量係数（定数）であり、Ａは低圧側開閉器１０３の開口部の開口面積であり、Ｐｈは第１圧力計１１１によって検出される吐出圧である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　そして、回生制御部１５３は、高圧側開閉器１０４の開口部を閉止するとともに、演算された逆流防止用デューティ比ｄ２に基づいて低圧側開閉器１０３を開閉させる（図１０でステップＳ２２）。この結果、作動油の回生は行われないが、作動油の流量が目標値Ｑ１に維持されながら、作動油が油タンク１１０に排出される。その後、先の実施形態と同様に、操作レバー１０７の操作状態に応じて、回生処理動作が繰り返される（ステップＳ２０）。
　このように、本変形実施形態によれば、作動油の回生が可能な領域（図６の回生可能領域参照）では、ブームシリンダ２０のエネルギーをアキュムレータ１０５に回生させることができる。一方、作動油の回生が困難な条件（図６の逆流領域参照）においては、アキュムレータ１０５からブームシリンダ２０への逆流を防止することができる。この結果、アキュムレータ１０５に蓄えられた圧油のエネルギーが無駄に流出することが抑止され、安定したエネルギー回生効果を得ることができる。なお、上記の回生可能限界デューティ比ｄｃ（閾値）に代えて、図６に示される回生可能限界流量Ｑｃが、予め実験あるいは解析で求められ、記憶部１５２（図４）に記憶されている態様でもよい。また、アキュムレータ１０５からブームシリンダ２０側に作動油が逆流することを確実に防止するために、高圧側開閉器１０４の上流または下流に、不図示のチェック弁が設けられてもよい。なお、本変形実施形態では、アキュムレータ１０５側に作動油を回生させる場合（図１０のステップＳ１９）と、作動油の回生を行わずに、作動油を油タンク１１０に排出する場合との間で、低圧側開閉器１０３の開口部の開口面積が一定とされる。このため、低圧側開閉器１０３側の開口部の面積変化によって、作動油の流れに急激な速度変化が生じることが抑止される。
　（２）また、上記の各実施形態では、第１圧力計１１１（図３）がＰｈ（吐出圧）を実際に測定、取得する態様にて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。前述の式３によってＰｈ（Ｐｈ０）の値が推定され、取得された推定値が、式５に基づく演算時に用いられてもよい。
　（３）また、上記の実施形態では、低圧側開閉器１０３および高圧側開閉器１０４の開口面積Ａが同じ面積に設定される態様にて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。図９のステップＳ６において、演算部１５１は、前述の式６に代えて、以下の式８、式９および式１０を用いてデューティ比ｄ１を演算することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　式８において、Ａｈは、高圧側開閉器１０４の開口面積であり、式９において、Ａｒは低圧側開閉器１０３の開口面積である。また、式１０のＱ１はブームシリンダ２０から吐出される作動油の目標流量であり、Ｑ１ｈは、Ｑ１のうち高圧側開閉器１０４を通過する作動油の流量、Ｑ１ｒは、Ｑ１のうち低圧側開閉器１０３を通過する作動油の流量である。その他の定数および変数は前述の実施形態と同様である。この場合、演算部１５１は、式８～式１０を満たすようなｄ１の値を数値解析などによって算出する。この際、デューティ比ｄ１と作動油の目標流量Ｑ１との関係がマップ、テーブルなどの情報として演算部１５１に格納され、以後の制御に当該情報が使用されてもよい。このように、本変形実施形態では、高圧側開閉器１０４および低圧側開閉器１０３の各開口部の開口面積Ａｈ、Ａｒを互いに異なるように設定した場合であっても、ブームシリンダ２０のエネルギーをアキュムレータ１０５に回生させることができる。
　（４）また、上記の実施形態では、本発明の高圧側容器としてアキュムレータ１０５を用いて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。高圧側容器として、公知の回生モーターが備えられ、慣性流体容器１０２から流出された作動流体のエネルギーによって、当該回生モーターが回転駆動される態様でもよい。また、図１のアームシリンダ２２が高圧側容器として機能し、慣性流体容器１０２から流出された作動油（作動流体）が、当該アームシリンダ２２に供給される態様でもよい。この場合、供給される作動油によって、アーム押し作業がアシストされる。
　（５）また、上記の実施形態では、開口面積決定部１５４は、油圧ショベル１０のコントロールモードが作動しているか否かに応じて低圧側開閉器１０３および高圧側開閉器１０４の開口面積Ａを決定する態様にて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。開口面積決定部１５４は、油圧ショベル１０の使用条件が、ブームシリンダ２０のヘッド側油圧室２０３から吐出される作動油の最大流量として第１の流量が要求される使用条件である場合、開口面積Ａを図８Ａ、図８ＢのＡ１（第１の面積）に決定し、開口面積決定部１５４は、油圧ショベル１０の使用条件が、作動油の最大流量として前記第１の流量よりも小さな第２の流量が要求される使用条件である場合、開口面積Ａを図８のＡ２（Ａ２＜Ａ１）（第２の面積）に決定する態様でもよい。この場合、操作レバー１０７によって複合操作が実行される場合のように、作動油の最大流量が小さい使用条件では、デューティ比制御の精度が高く設定される。このため、ブームシリンダ２０に連結されたブーム１７を精度良く駆動しながら、ブームシリンダ２０から排出される作動油のエネルギーをアキュムレータ１０５に回収することができる。
　また、他の変形実施形態において、開口面積決定部１５４は、油圧ショベル１０の使用条件が、ブーム１７の位置制御に対して第１の精度が要求される使用条件である場合、開口面積Ａを図８Ａ、図８ＢのＡ１（第１の面積）に決定し、油圧ショベル１０の使用条件が、ブーム１７の位置制御として、第１の精度よりも高い第２の精度が要求される使用条件である場合、開口面積Ａを図８Ａ、図８ＢのＡ２（Ａ２＜Ａ１）（第２の面積）に決定する態様でもよい。この場合、ブーム１７の位置制御に高い精度が要求される使用条件では、デューティ比制御の精度が高く設定される。このため、ブームシリンダ２０に連結されたブーム１７を精度良く駆動しながら、ブームシリンダ２０から排出される作動油のエネルギーをアキュムレータ１０５に回収することができる。
　以上のように、本発明によって提供されるのは、作動流体のエネルギーを回生させるエネルギー回生装置であって、シリンダと、前記シリンダ内で往復移動可能なピストンと、を備え、前記シリンダおよび前記ピストンによって画定されるシリンダ流体室の容積が前記ピストンの移動に伴って変化する、アクチュエータと、前記シリンダ流体室に連通する第１内部空間を備え、前記ピストンの移動に伴って前記シリンダ流体室から吐出された前記作動流体を受け入れる慣性流体容器と、前記シリンダ流体室よりも低圧に設定され前記慣性流体容器の前記第１内部空間に連通する第２内部空間を備え、前記慣性流体容器から流出した前記作動流体を受け入れる低圧側容器と、前記低圧側容器の前記第２内部空間よりも高圧に設定され前記慣性流体容器の前記第１内部空間に連通する第３内部空間を備え、前記慣性流体容器から流出した前記作動流体を受け入れる高圧側容器と、前記慣性流体容器と前記低圧側容器との間での前記作動流体の流通を許容する低圧側開口部を形成し、前記低圧側開口部の開口面積を変化させるように作動する低圧側開閉器と、前記高圧側容器と前記慣性流体容器との間での前記作動流体の流通を許容する高圧側開口部を形成し、前記高圧側開口部の開口面積を変化させるように作動する高圧側開閉器と、前記シリンダ流体室から流出する前記作動流体の流れにおいて前記慣性流体容器よりも上流側における前記作動流体の吐出圧力を取得する第１圧力取得部と、前記シリンダ流体室から流出する前記作動流体の流れにおいて前記高圧側開閉器よりも下流側における前記作動流体の高圧側圧力を取得する第２圧力取得部と、前記アクチュエータの使用条件に応じて、前記高圧側開口部および前記低圧側開口部の開口面積を決定する開口面積決定部と、前記ピストンが前記シリンダ流体室の容積を縮小する方向に予め設定された移動速度で移動する場合についての所定の周期内における前記低圧側開口部および前記高圧側開口部の開口時間を制御するためのデューティ比を演算する演算部であって、前記開口面積決定部によって決定された前記高圧側開口部および前記低圧側開口部の前記開口面積と、前記ピストンの移動速度に応じて設定された、前記シリンダ流体室から吐出される前記作動流体の目標流量と、前記第１圧力取得部が取得した前記吐出圧力と、前記第２圧力取得部が取得した前記高圧側圧力と、に基づいて前記デューティ比を演算する演算部と、前記慣性流体容器の連通先を前記低圧側容器と前記高圧側容器との間で交互に切り替えるように前記デューティ比に応じて前記高圧側開閉器および前記低圧側開閉器の開閉動作を制御することで、前記ピストンを前記移動速度で移動させながら、前記作動流体が前記低圧側容器に向かって流動する際に前記慣性流体容器の前記第１内部空間に発生した慣性力によって前記作動流体を前記高圧側容器に流入させる開閉器制御部と、を備える。
　本構成によれば、演算部が演算するデューティ比に応じて、開閉器制御部が高圧側開閉器および低圧側開閉器の開閉動作を制御する。この結果、アクチュエータから排出される作動流体のエネルギーを高圧側容器に回収することができるとともに、アクチュエータの排出流量を制御することが可能となる。また、開口面積決定部は、アクチュエータの使用条件に応じて高圧側開口部および低圧側開口部の開口面積を決定する。このため、アクチュエータの使用条件に応じて、デューティ比制御の精度（分解能）を調整することができる。
　上記の構成において、前記高圧側開口部および前記低圧側開口部の前記開口面積をＡ、前記第１圧力取得部によって取得される前記作動流体の前記吐出圧力をＰｈ、前記第２圧力取得部によって取得される前記作動流体の前記高圧側圧力をＰａｃｃ、前記作動流体の前記目標流量をＱ１、前記周期内における前記高圧側開口部の開口時間を制御するための高圧側のデューティ比をｄ１、前記周期内における前記低圧側開口部の開口時間を制御するための低圧側のデューティ比を１－ｄ１、前記高圧側開閉器および前記低圧側開閉器に対して予め設定された定数をＣｖとした場合、前記演算部は、以下の関係式に基づいて前記高圧側のデューティ比ｄ１を演算する。
ｄ１＝（Ｐｈ－（Ｑ１／（Ｃｖ×Ａ））２）／Ｐａｃｃ
　本構成によれば、高圧側開口部および低圧側開口部の開口面積が同じ値に設定され、作動流体の流入先が高圧側容器と低圧側容器との間で切り替えられることで、アクチュエータから排出される作動流体の流れを安定して維持することができる。また、作動流体の流入先を高圧側容器と低圧側容器との間で高速で切り替えることで、アクチュエータから排 出される作動流体の流れを安定して維持することができる。
　上記の構成において、前記高圧側の前記デューティ比に対して予め設定された閾値を記憶する記憶部を備え、前記演算部によって演算された前記高圧側の前記デューティ比が前記閾値以上の場合に、前記開閉器制御部は、前記高圧側開閉器の前記高圧側開口部を閉じるとともに、前記作動流体の前記目標流量に応じて設定された逆流防止用デューティ比に基づいて前記低圧側開口部を開閉させることが望ましい。
　本構成によれば、高圧側容器からアクチュエータ側に作動流体が逆流することを抑止することができる。
　上記の構成において、前記演算部によって演算された前記高圧側の前記デューティ比が前記閾値以上の場合に、前記演算部は、以下の関係式に基づいて、前記逆流防止用デューティ比を演算し、ｄ２＝Ｑ１／（Ｃｖ×Ａ×√（Ｐｈ））、前記開閉器制御部は、前記演算された逆流防止用デューティ比に基づいて前記低圧側開口部を開閉させることが望ましい。
　本構成によれば、高圧側容器からアクチュエータ側に作動流体が逆流することを抑止することができる。また、逆流を抑止するために高圧側開口部が閉じられた後も、アクチュエータの排出流量を制御しながら作動流体を低圧側容器に流入させることができる。
　上記の構成において、前記高圧側容器は、前記作動流体の圧力を蓄圧するアキュムレータであることが望ましい。
　本構成によれば、アクチュエータから排出された作動流体のエネルギーをアキュムレータに蓄圧した後、当該エネルギーを他の目的で利用することができる。
　また、提供されるのは作業機械であって、当該作業機械は、エンジンと、上記の何れか１に記載のエネルギー回生装置と、前記エネルギー回生装置の前記アクチュエータの前記ピストンに連結された被駆動体と、前記エンジンによって駆動され、前記アクチュエータの前記シリンダ流体室に供給される前記作動流体を吐出するポンプと、前記作動流体の流路において前記ポンプと前記アクチュエータとの間に配置され、前記シリンダ流体室に供給される前記作動流体の流量を制御することで前記アクチュエータを駆動するコントロール弁と、前記被駆動体を駆動する指令のための操作を受ける操作レバーと、前記操作レバーに与えられる操作の量に応じて前記コントロール弁を操作することによって前記アクチュエータの動きを制御する駆動制御部と、を備え、前記シリンダ流体室から吐出される前記作動流体の前記目標流量は、前記操作レバーに与えられる操作の量に応じて設定されている。
　本構成によれば、作業者によって操作される操作レバーの操作の量に応じて、アクチュエータから排出される作動流体の流量を制御しながら、作動流体のエネルギーを回生させることができる。
　上記の構成において、前記アクチュエータの前記使用条件が、前記被駆動体の位置制御に対して第１の精度が要求される使用条件である場合、前記開口面積決定部は前記開口面積を第１の面積に決定し、前記アクチュエータの前記使用条件が、前記被駆動体の位置制御に対して前記第１の精度よりも高い第２の精度が要求される使用条件である場合、前記開口面積決定部は前記開口面積を前記第１の面積よりも小さい第２の面積に決定することが望ましい。
　本構成によれば、被駆動体の位置制御に高い精度が要求される使用条件では、デューティ比制御の精度が高く設定される。このため、アクチュエータに連結された被駆動体を精度良く駆動しながら、アクチュエータから排出される作動流体のエネルギーを高圧側容器に回収することができる。
　上記の構成において、前記被駆動体を駆動するための前記アクチュエータの前記使用条件が、前記シリンダ流体室から吐出される前記作動流体の最大流量として第１の流量が要求される使用条件である場合、前記開口面積決定部は前記開口面積を第１の面積に決定し、前記アクチュエータの前記使用条件が、前記シリンダ流体室から吐出される前記作動流体の最大流量として前記第１の流量よりも小さな第２の流量が要求される使用条件である場合、前記開口面積決定部は前記開口面積を前記第１の面積よりも小さい第２の面積に決定することが望ましい。
　本構成によれば、作動流体の最大流量が小さい使用条件では、デューティ比制御の精度が高く設定される。このため、アクチュエータに連結された被駆動体を精度良く駆動しながら、アクチュエータから排出される作動流体のエネルギーを高圧側容器に回収することができる。
 

Claims (8)

  1. 　作動流体のエネルギーを回生させるエネルギー回生装置であって、
    　シリンダと、前記シリンダ内で往復移動可能なピストンと、を備え、前記シリンダおよび前記ピストンによって画定されるシリンダ流体室の容積が前記ピストンの移動に伴って変化する、アクチュエータと、
    　前記シリンダ流体室に連通する第１内部空間を備え、前記ピストンの移動に伴って前記シリンダ流体室から吐出された前記作動流体を受け入れる慣性流体容器と、
    　前記シリンダ流体室よりも低圧に設定され前記慣性流体容器の前記第１内部空間に連通する第２内部空間を備え、前記慣性流体容器から流出した前記作動流体を受け入れる低圧側容器と、
    　前記低圧側容器の前記第２内部空間よりも高圧に設定され前記慣性流体容器の前記第１内部空間に連通する第３内部空間を備え、前記慣性流体容器から流出した前記作動流体を受け入れる高圧側容器と、
    　前記慣性流体容器と前記低圧側容器との間での前記作動流体の流通を許容する低圧側開口部を形成し、前記低圧側開口部の開口面積を変化させるように作動する低圧側開閉器と、
    　前記高圧側容器と前記慣性流体容器との間での前記作動流体の流通を許容する高圧側開口部を形成し、前記高圧側開口部の開口面積を変化させるように作動する高圧側開閉器と、
    　前記シリンダ流体室から流出する前記作動流体の流れにおいて前記慣性流体容器よりも上流側における前記作動流体の吐出圧力を取得する第１圧力取得部と、
    　前記シリンダ流体室から流出する前記作動流体の流れにおいて前記高圧側開閉器よりも下流側における前記作動流体の高圧側圧力を取得する第２圧力取得部と、
    　前記アクチュエータの使用条件に応じて、前記高圧側開口部および前記低圧側開口部の開口面積を決定する開口面積決定部と、
    　前記ピストンが前記シリンダ流体室の容積を縮小する方向に予め設定された移動速度で移動する場合についての所定の周期内における前記低圧側開口部および前記高圧側開口部の開口時間を制御するためのデューティ比を演算する演算部であって、前記開口面積決定部によって決定された前記高圧側開口部および前記低圧側開口部の前記開口面積と、前記ピストンの移動速度に応じて設定された、前記シリンダ流体室から吐出される前記作動流体の目標流量と、前記第１圧力取得部が取得した前記吐出圧力と、前記第２圧力取得部が取得した前記高圧側圧力と、に基づいて前記デューティ比を演算する演算部と、
    　前記慣性流体容器の連通先を前記低圧側容器と前記高圧側容器との間で交互に切り替えるように前記デューティ比に応じて前記高圧側開閉器および前記低圧側開閉器の開閉動作を制御することで、前記ピストンを前記移動速度で移動させながら、前記作動流体が前記低圧側容器に向かって流動する際に前記慣性流体容器の前記第１内部空間に発生した慣性力によって前記作動流体を前記高圧側容器に流入させる開閉器制御部と、
    を備えるエネルギー回生装置。
  2. 　前記高圧側開口部および前記低圧側開口部の前記開口面積をＡ、前記第１圧力取得部によって取得される前記作動流体の前記吐出圧力をＰｈ、前記第２圧力取得部によって取得される前記作動流体の前記高圧側圧力をＰａｃｃ、前記作動流体の前記目標流量をＱ１、前記周期内における前記高圧側開口部の開口時間を制御するための高圧側のデューティ比をｄ１、前記周期内における前記低圧側開口部の開口時間を制御するための低圧側のデューティ比を１－ｄ１、前記高圧側開閉器および前記低圧側開閉器に対して予め設定された定数をＣｖとした場合、前記演算部は、以下の関係式に基づいて前記高圧側のデューティ比ｄ１を演算する請求項１に記載のエネルギー回生装置。
    ｄ１＝（Ｐｈ－（Ｑ１／（Ｃｖ×Ａ））２）／Ｐａｃｃ
  3. 　前記高圧側の前記デューティ比に対して予め設定された閾値を記憶する記憶部を備え、
    　前記演算部によって演算された前記高圧側の前記デューティ比が前記閾値以上の場合に、前記開閉器制御部は、前記高圧側開閉器の前記高圧側開口部を閉じるとともに、前記作動流体の前記目標流量に応じて設定された逆流防止用デューティ比に基づいて前記低圧側開口部を開閉させる請求項２に記載のエネルギー回生装置。
  4. 　前記演算部によって演算された前記高圧側の前記デューティ比が前記閾値以上の場合に、前記演算部は、以下の関係式に基づいて、前記逆流防止用デューティ比を演算し、
    　ｄ２＝Ｑ１／（Ｃｖ×Ａ×√（Ｐｈ））
    　前記開閉器制御部は、前記演算された逆流防止用デューティ比に基づいて前記低圧側開口部を開閉させる請求項３に記載のエネルギー回生装置。
  5. 　前記高圧側容器は、前記作動流体の圧力を蓄圧するアキュムレータである請求項１乃至４の何れか１項に記載のエネルギー回生装置。
  6. 　作業機械であって、
    　エンジンと、
    　請求項１乃至５の何れか１項に記載のエネルギー回生装置と、
    　前記エネルギー回生装置の前記アクチュエータの前記ピストンに連結された被駆動体と、
    　前記エンジンによって駆動され、前記アクチュエータの前記シリンダ流体室に供給される前記作動流体を吐出するポンプと、
    　前記作動流体の流路において前記ポンプと前記アクチュエータとの間に配置され、前記シリンダ流体室に供給される前記作動流体の流量を制御することで前記アクチュエータを駆動するコントロール弁と、
    　前記被駆動体を駆動する指令のための操作を受ける操作レバーと、
    　前記操作レバーに与えられる操作の量に応じて前記コントロール弁を操作することによって前記アクチュエータの動きを制御する駆動制御部と、
    を備え、
    　前記シリンダ流体室から吐出される前記作動流体の前記目標流量は、前記操作レバーに与えられる操作の量に応じて設定されている、作業機械。
  7. 　前記アクチュエータの前記使用条件が、前記被駆動体の位置制御に対して第１の精度が要求される使用条件である場合、前記開口面積決定部は前記開口面積を第１の面積に決定し、
    　前記アクチュエータの前記使用条件が、前記被駆動体の位置制御に対して前記第１の精度よりも高い第２の精度が要求される使用条件である場合、前記開口面積決定部は前記開口面積を前記第１の面積よりも小さい第２の面積に決定する、請求項６に記載の作業機械。
  8. 　前記アクチュエータの前記使用条件が、前記シリンダ流体室から吐出される前記作動流体の最大流量として第１の流量が要求される使用条件である場合、前記開口面積決定部は前記開口面積を第１の面積に決定し、
    　前記アクチュエータの前記使用条件が、前記シリンダ流体室から吐出される前記作動流体の最大流量として前記第１の流量よりも小さな第２の流量が要求される使用条件である場合、前記開口面積決定部は前記開口面積を前記第１の面積よりも小さい第２の面積に決定する、請求項６に記載の作業機械。
     
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