JP4024120B2 - 油圧建設機械のエネルギ回生装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、油圧ショベルやホイールローダなどの油圧建設機械に係わり、特に、その油圧建設機械に設けられたエネルギ回生装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、建設機械の１つである油圧ショベルは、下部走行体と、この下部走行体に旋回可能に設けた上部旋回体と、この上部旋回体に伏仰可能に接続され、ブーム、アーム、及びバケットを含む多関節型のフロント作業機とを備えている。
【０００３】
これら下部走行体、上部旋回体、及びフロント装置は、この油圧ショベルに備えられた油圧駆動装置の被駆動部材を構成している。この油圧駆動装置は、一般に、エンジン等の原動機と、この原動機によって駆動する少なくとも１つの油圧ポンプと、前記油圧ポンプから吐出された圧油により前記ブーム、アーム、バケットをそれぞれ駆動するブーム用油圧シリンダ、アーム用油圧シリンダ、バケット用油圧シリンダ、及び前記油圧ポンプから吐出された圧油により前記下部走行体を走行させる走行用油圧モータ、及び前記油圧ポンプから吐出された圧油により前記上部旋回体を下部走行体に対し旋回させる旋回用油圧モータを含む複数の油圧アクチュエータと、これら複数の油圧アクチュエータをそれぞれ操作する操作手段とを有している。
【０００４】
ここで、上記油圧油圧アクチュエータの被駆動部材の中でも、例えば、旋回用油圧モータにより旋回駆動される上部旋回体や、ブーム用油圧シリンダにより伏仰駆動されるブームは大型物であり、その自重が比較的重い。したがって、旋回運動している上部旋回体は大きな慣性運動エネルギを持っており、また自重で落下するブームは大きな位置エネルギを放出していることとなるが、元来、これら旋回の慣性運動エネルギやブームの位置エネルギは、油圧駆動装置の油圧回路中において作動油が流動するときの絞り損失としてそのまま捨てられていた。
【０００５】
そこで、これを回収し有効活用するために、例えば、特開２０００−１３６８０６号公報や特開平１１−３４３６４２号公報に記載の従来技術が提唱されている。
【０００６】
特開２０００−１３６８０６号公報に記載のエネルギ回収装置は、ブーム用油圧シリンダや旋回用油圧モータの排出油でポンプモータを駆動し、この動力で発電機を駆動して発生した電力をバッテリに蓄え、そのバッテリの電力を再生に利用するものであり、これによって旋回時の慣性運動エネルギやブーム下げ時の位置エネルギを回収し有効活用できるように図っている。
【０００７】
特開平１１−３４３６４２号公報に記載のバッテリー駆動式作業機械では、旋回用アクチュエータ及びブーム用アクチュエータとして電動モータ（兼発電機）を使用することにより、旋回時の慣性運動エネルギやブーム下げ時の位置エネルギを電力としてバッテリに蓄えるようになっている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術には以下の課題が存在する。
【０００９】
特開２０００−１３６８０６号公報に記載の従来技術では、圧油のエネルギを回収するために、油圧ポンプモータによって電動モータを駆動するので回収効率が低い。また、エネルギ回収用の油圧装置を別途設ける必要があるため、装置が複雑となる。また特に、排出油についてのメータリングを制御するのは困難である。以上の結果、現実には実用化は困難である。
【００１０】
特開平１１−３４３６４２号公報に記載の従来技術では、すべてのアクチュエータを電動モータとしているが、現状では電動モータで現行の油圧アクチュエータと同等の性能を得るのは困難であるため、アクチュエータをすべて電動モータ化するのは実際上無理がある。特に、ブームの駆動アクチュエータとして電動モータを使用しようとすると大駆動力を得るためには減速機が必要となり、駆動系の大型化を招く。以上の結果、現実には実用化は困難である。
【００１１】
本発明の目的は、簡単かつ実用化が容易な構成で、高効率のエネルギ回収を行える油圧建設機械のエネルギ回生装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
（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を含む複数の油圧アクチュエータと、前記複数の油圧アクチュエータに圧油を供給する油圧ポンプと、前記油圧ポンプを駆動する原動機とを備える油圧建設機械に設けられた油圧建設機械のエネルギ回生装置において、前記複数の油圧アクチュエータのうち少なくとも前記旋回用油圧モータに直結され又は機械的機構を介し間接的に連結され、その補助的な駆動・被駆動を行う第１電動・発電機と、前記第１電動・発電機と電気エネルギの授受を行う第１蓄電手段と、前記第１電動・発電機の動作を制御する第１電動・発電機制御手段とを備え、前記第１電動・発電機制御手段は、旋回用操作レバーの操作量が所定値以上になると、前記第１蓄電手段の電気エネルギーを前記第１電動・発電機に供給して前記第１電動・発電機を電動機として作用させ、前記旋回用操作レバーの操作量が０近傍の所定範囲内となると、前記第１電動・発電機を発電機として作用させ、その第１電動・発電機で発生した電気エネルギーを前記第１蓄電手段に蓄えるよう前記第１電動・発電機の動作を制御するものとする。
【００１３】
本発明においては、第１電動・発電機制御手段の制御に基づき、少なくとも旋回用油圧モータに併設された第１電動・発電機が旋回用油圧モータの補助的な駆動・被駆動を行い、第１蓄電手段と電気エネルギの授受を行う。これにより、上部旋回体の減速時にその慣性運動エネルギによって旋回用油圧モータに併設した第１電動・発電機で発電を行い、その電気エネルギを第１蓄電手段に効率よく蓄える（回生する）ことが可能となる。また上部旋回体の駆動時に、その第１蓄電手段に蓄えた電気エネルギを第１電動・発電機に供給し旋回用油圧モータを補助的に駆動することができる。
【００１４】
本発明においては、以上のようにして、高効率でエネルギ回収を行うことができる。また、既存の油圧建設機械をベースとして、旋回用油圧モータに第１電動・発電機を併設するとともに第１電動・発電機制御手段、第１蓄電手段を後づけで追加するだけの簡単な構成で実現できるので、実用化が非常に容易である。さらに、原動機としてエンジンを使う場合には作業あたりの燃費を向上するとともにエンジン排気ガス量を低減できる効果もある。
【００１６】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記第１電動・発電機制御手段は、前記旋回用油圧モータが減速する際の運動エネルギを電気エネルギとして前記第１蓄電手段に回生するように、前記第１電動・発電機の動作を制御する。
【００１７】
（３）上記目的を達成するために、また本発明は、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、この上部旋回体に俯仰可能に連結され、ブーム、アーム、バケットを備えた多関節型のフロント作業機と、前記ブーム、前記アーム、前記バケットをそれぞれ駆動するブーム用油圧シリンダ、アーム用油圧シリンダ、バケット用油圧シリンダを含む複数の油圧アクチュエータと、前記複数の油圧アクチュエータに圧油を供給する油圧ポンプと、前記油圧ポンプを駆動する原動機とを備える油圧建設機械に設けられた油圧建設機械のエネルギ回生装置において、前記複数の油圧アクチュエータのうち少なくとも前記ブーム用油圧シリンダに直結され又は機械的機構を介し間接的に連結され、その補助的な駆動・被駆動を行う第２電動・発電機と、前記第２電動・発電機と電気エネルギの授受を行う第２蓄電手段と、前記第２電動・発電機の動作を制御する第２電動・発電機制御手段とを備え、前記第２電動・発電機制御手段は、ブーム用操作レバーの上げ方向を正で表した場合、ブーム用操作レバーの操作量がブーム上げ方向で所定値以上になると、前記第２蓄電手段の電気エネルギーを前記第２電動・発電機に供給して前記第２電動・発電機を電動機として作用させ、前記ブーム用操作レバーの操作量がブーム下げ方向で所定値以下になると、前記第２電動・発電機を発電機として作用させ、その第２電動・発電機で発生した電気エネルギーを前記第２蓄電手段に蓄えるよう前記第２電動・発電機の動作を制御するものとする。
本発明においては、第２電動・発電機制御手段の制御に基づき、少なくともブーム用油圧シリンダに併設された第２電動・発電機がそのブーム用油圧シリンダの補助的な駆動・被駆動を行い、第２蓄電手段と電気エネルギの授受を行う。これにより、ブームが落下する時にその位置エネルギによってブーム用油圧シリンダに併設した第２電動・発電機で発電を行い、その電気エネルギを第２蓄電手段に効率よく蓄える（回生する）ことが可能となる。またブーム用油圧シリンダの駆動時に、その第２蓄電手段に蓄えた電気エネルギを第２電動・発電機に供給しブーム用油圧シリンダを補助的に駆動することができる。
本発明においては、以上のようにして、高効率でエネルギ回収を行うことができる。また、既存の油圧建設機械をベースとして、ブーム用油圧シリンダに第２電動・発電機を併設するとともに第２電動・発電機制御手段、第２蓄電手段を後づけで追加するだけの簡単な構成で実現できるので、実用化が非常に容易である。さらに、原動機としてエンジンを使う場合には作業あたりの燃費を向上するとともにエンジン排気ガス量を低減できる効果もある。
【００１８】
（４）上記（３）において、好ましくは、前記第２電動・発電機制御手段は、前記ブームの自重落下に伴う前記ブーム用油圧シリンダが縮短する際の運動エネルギを電気エネルギとして前記第２蓄電手段に回生するように、前記第２電動・発電機の動作を制御する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２０】
本発明の第１の実施形態を図１〜図４により説明する。
【００２１】
図１は、本実施形態のエネルギ回生装置の適用対象である油圧建設機械（この例では油圧ショベル）の全体構造を表す側面図であり、図２は、本実施形態のエネルギ回生装置を、油圧建設機械の油圧駆動装置とともに示す図である。
【００２２】
図１において、この油圧ショベルは、走行手段としての左・右無限軌道履帯１Ａを備えた下部走行体１と、この下部走行体１上に旋回可能に設けた上部旋回体２と、この上部旋回体２に俯仰動可能に接続され、ブーム３、アーム４、バケット５からなる多関節型の油圧作業機（フロント装置）６と、ブーム３、アーム４、バケット５、上部旋回体２、左・右無限軌道履帯１Ａをそれぞれ駆動するブーム用油圧シリンダ７、アーム用油圧シリンダ８、バケット用油圧シリンダ９、旋回用油圧モータ１０、左・右走行用油圧モータ１１Ｌ，１１Ｒとを備えている。
【００２３】
図２において、この油圧ショベルの油圧駆動装置は、上記ブーム用油圧シリンダ７、アーム用油圧シリンダ８、バケット用油圧シリンダ９、旋回用油圧モータ１０と、左・右走行用油圧モータ１１Ｌ，１１Ｒと、原動機としてのエンジン１２と、このエンジン１２により直接駆動される油圧ポンプ１３と、この油圧ポンプ１３より吐出され上記ブーム用油圧シリンダ７、アーム用油圧シリンダ８、バケット用油圧シリンダ９、旋回用油圧モータ１０、左・右走行用油圧モータ１１Ｌ，１１Ｒへそれぞれ供給される圧油の流れを制御するブーム用コントロールバルブ、アーム用コントロールバルブ、バケット用コントロールバルブ、旋回用コントロールバルブ、左・右走行用コントロールバルブ等を備えたコントロールバルブ装置１４と、操作レバー装置１５と、この操作レバー装置１５の操作信号を入力し、対応するコントロールバルブの駆動信号を生成して出力するコントローラ１６とを備えている。
【００２４】
そして、本実施形態のエネルギ回生装置は、旋回用油圧モータ１０に機械的に直結され、旋回用油圧モータ１０の駆動補助あるいは被駆動（発電）を行う電動・発電機１７と、交流・直流変換機能や電圧・周波数等を所要に変換する機能を備え、上記電動・発電機１７の制御を行う電動・発電機制御装置（インバータ／コンバータ）１８と、電動・発電機制御装置と電気エネルギの授受を行う蓄電装置（バッテリ）１９とを備えている。
【００２５】
次に、上記構成の本実施形態のエネルギ回収装置の動作及び作用効果を図３を用いて説明する。図３は、前述した旋回用操作レバーの操作量と上記電動・発電機１７におけるモータトルク発生量（発生方向）との関係を概念的に表した説明図であり、右旋回方向へのレバー操作量及びモータトルク発生量を正の値にとって表したものである。
【００２６】
上記構成である本実施形態においては、例えば操作者が掘削積み込み作業を行おうとして油圧ショベルの上部旋回体２を右旋回動作させるべく操作レバー装置１５の旋回用操作レバー（図示せず）を右旋回方向（又は左旋回方向、かっこ内対応関係同じ）に操作すると、その操作信号を入力したコントローラ１６からその操作量に対応する駆動信号が生成されてコントロールバルブ装置１４に出力され、旋回用コントロールバルブがその駆動信号に対応して切り換えられ、油圧ポンプ１３からの圧油が旋回用コントロールバルブから旋回用油圧モータ１０へ供給されて右方向（又は左方向）へ回転駆動され、旋回を開始する。またこのとき、図３に示すように、操作量ｘ（右方向を正で表す）が所定値ｘo以上となると（又は所定値−ｘo以下となると）、コントローラ１６からの信号に基づく電動・発電機制御装置１８の制御によって蓄電装置１９に蓄えた電気エネルギが電動・発電機１７に供給されて電動・発電機１７が電動機として作用し図３に示すように右旋回方向のトルクＴo（又は左旋回方向のトルク−Ｔo）を発生し、これによって旋回用油圧モータ１９の駆動を補助する。
【００２７】
その後、例えば上部旋回体２がある程度旋回したら（例えばバケット５が土砂運搬用ダンプトラックの荷台に近づいたら）、操作者は右（又は左）旋回動作を停止させるべく操作レバー装置１５の旋回用操作レバー（図示せず）を中立位置に戻す。すると、これに応じてコントローラ１６から旋回用コントロールバルブへの駆動信号がゼロとなり、旋回用コントロールバルブが中立位置に復帰して油圧ポンプ１３から旋回用油圧モータ１０への圧油供給が遮断される。
【００２８】
このとき、旋回用油圧モータ１７により旋回駆動される上部旋回体２は大型物であって自重が比較的重いことから、旋回運動している上部旋回体２は大きな慣性運動エネルギを持っており、旋回用油圧モータ１０への圧油供給が遮断されてもそのまま旋回運動を継続しようとする。これを利用して本実施形態においては、操作量ｘが０（中立位置）近傍の所定範囲内（−ｘｉ≦ｘ≦ｘｉ）となるとコントローラ１６からの信号に基づく電動・発電機制御装置１８の制御によって、旋回用油圧モータ１０に併設した電動・発電機１７で発電を行う。すなわちこの場合、電動・発電機１７は発電機として作用して逆方向の左旋回方向へのトルク−Ｔo（又は右旋回方向へのトルクＴo）を発生しつつ発電を行い上記慣性エネルギを電気エネルギに変換し、この電気エネルギを蓄電装置１９に効率よく蓄える（回生する）。この蓄電装置１９に蓄えた電気エネルギは、次回の上部旋回体２の旋回駆動時に再び電動・発電機１７に供給され旋回用油圧モータ１０を補助的に駆動することに用いられる。
【００２９】
以上のようにして、本実施形態によれば、上部旋回体２の旋回減速時・停止時に高い効率でエネルギ回収を行うことができる。またこのとき、本実施形態の構成によれば、既存の油圧建設機械をベースとして、その油圧アクチュエータ７，８，９，１０，１ｌ，１１Ｒのうちの旋回用油圧モータ１０に電動・発電機１７を併設するとともに電動・発電機制御装置１８、蓄電装置１９を後づけで追加するだけの簡単な構成で実現できるので、実用化が非常に容易である。さらに、エンジン１２の作業あたりの燃費を向上するとともにエンジン排気ガス量を低減できる効果もある。
【００３０】
なお、上記実施形態のように旋回用油圧モータ１０に電動・発電機を併設するのに代え、別のアクチュエータに直結又は間接的に電動・発電機を連結してもよい。以下、そのような変形例を説明する。
【００３１】
（１）ブーム用油圧シリンダに適用した場合
図４は、本変形例のエネルギ回生装置の適用対象である油圧建設機械（この例では油圧ショベル）の全体構造を表す側面図であり、図５は、本変形例のエネルギ回生装置を油圧建設機械の油圧駆動装置とともに示す図であり、図６はブーム用操作レバーの操作量と対応する電動・発電機２１（後述）におけるモータトルク発生量（発生方向）との関係を概念的に表した説明図（ブーム上げ方向へのレバー操作量及びモータトルク発生量を正の値にとって表している）であり、それぞれ上記図１、図２、及び図３に相当する図である。図１及び図２と同等の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００３２】
図４及び図５において、この変形例では、ブーム用油圧シリンダ７にブーム３及び駆動力伝達機構（例えばワイヤーロープ）２０を介し間接的に連結され、ブーム用油圧シリンダ７の駆動補助あるいは被駆動（発電）を行う電動・発電機２１を備えている。
【００３３】
上記構成である本変形例においては、例えば操作者が掘削積み込み作業を行おうしてブーム３を上げ動作させるべく操作レバー装置１５のブーム用操作レバー（図示せず）を上げ方向に操作すると、その操作信号を入力したコントローラ１６からその操作量に対応する駆動信号が生成されてコントロールバルブ装置１４に出力され、ブーム用コントロールバルブがその駆動信号に対応して切り換えられ、油圧ポンプ１３からの圧油がブーム用コントロールバルブからブーム用油圧シリンダ７のボトム側へ供給されかつロッド側から戻り油が排出されてブーム用油圧シリンダ７が伸長駆動され、ブーム上げ動作を開始する。またこのとき、図６に示すように、操作量ｙ（ブーム上げ方向を正で表す）が所定値ｙi以上となると、コントローラ１６からの信号に基づく電動・発電機制御装置１８の制御によって蓄電装置１９に蓄えた電気エネルギが電動・発電機２１に供給されて電動・発電機２１が電動機として作用し図６に示すようにブーム上げ方向のトルクＴ1を発生し、これによって駆動力伝達機構２０を介しブーム用油圧シリンダ７の伸長駆動を補助する。
【００３４】
その後、例えば積み込みが終了したら、操作者はブーム下げ動作を行うべく操作レバー装置１５のブーム用操作レバー（図示せず）を下げ方向に操作する。すると、これに応じてコントローラ１６からブーム用コントロールバルブへ対応する駆動信号が出力され、ブーム用コントロールバルブが切り換えられ、油圧ポンプ１３からの圧油がブーム用コントロールバルブからブーム用油圧シリンダ７のロッド側へ供給されかつボトム側から戻り油が排出され、このような油の流通に基づき主としてブーム３の自重の作用によってブーム用油圧シリンダ７が縮短駆動され、ブーム下げ動作が開始される。このとき、ブーム用油圧シリンダ７により駆動されるブーム３は大型物であって自重が比較的重いことから、自重落下するブーム３は大きな位置エネルギを放出している。これを利用して本実施形態においては、図６に示すように、操作量ｙ（ブーム上げ方向を正で表す）が所定値−ｙi以下となると、コントローラ１６からの信号に基づく電動・発電機制御装置１８の制御によってブーム用油圧シリンダ７に連結した電動・発電機２１で発電を行う。すなわちこの場合、電動・発電機２１は発電機として作用してブーム下げと逆方向のブーム上げ方向へのトルクＴ1を発生しつつ発電を行い上記位置エネルギを電気エネルギに変換し、この電気エネルギを蓄電装置１９に効率よく蓄える（回生する）。この蓄電装置１９に蓄えた電気エネルギは、次回のブーム３の上げ駆動時に再び電動・発電機２１に供給されブーム用油圧シリンダ７を補助的に駆動することに用いられる。
【００３５】
以上のようにして、本変形例によれば、上記実施形態と同様の原理で、ブーム３の下げ動作時における自重落下時に高い効率でエネルギ回収を行うことができる。またこのとき、本実施形態の構成によれば、既存の油圧建設機械をベースとして、その油圧アクチュエータ７，８，９，１０，１ｌ，１１Ｒのうちのブーム用油圧シリンダ７に電動・発電機２１を併設するとともに電動・発電機制御装置１８、蓄電装置１９を後づけで追加するだけの簡単な構成で実現できるので、実用化が非常に容易である。
【００３６】
（２）走行用油圧モータに適用した場合
図７は、本変形例のエネルギ回生装置の適用対象である油圧建設機械（この例では油圧ショベル）の全体構造を表す側面図であり、図８は、本変形例のエネルギ回生装置を油圧建設機械の油圧駆動装置とともに示す図であり、それぞれ上記図又は図４、及び、図２又は図５に相当する図である。図１〜図５と同等の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００３７】
図７及び図８において、この変形例では、左・右走行用油圧モータ１１Ｌ，１１Ｒの駆動する駆動輪２４Ｌ，２４Ｒ（図示せず）と履帯１Ａを介し間接的に連結された従動輪２２Ｌ，２２Ｒ（図示せず）に直結された（言い換えれば駆動輪２４Ｌ，２４Ｒ、履帯１Ａ、及び従動輪２２Ｌ，２２Ｒを介し左・右走行用油圧モータ１１Ｌ，１１Ｒと間接的に連結された）左・右電動・発電機２３Ｌ，２３Ｒを備えている。
【００３８】
上記構成である本変形例においては、例えば操作者が自力走行を行おうとして油圧ショベルの下部走行体１を走行動作させるべく操作レバー装置１５の走行用操作レバー（図示せず）を前進方向（又は後進方向、かっこ内対応関係同じ）に操作すると、その操作信号を入力したコントローラ１６からその操作量に対応する駆動信号が生成されてコントロールバルブ装置１４に出力され、左・右走行用コントロールバルブがその駆動信号に対応して切り換えられ、油圧ポンプ１３からの圧油が左・右走行用コントロールバルブから左・右走行用油圧モータ１１Ｌ，１１Ｒへ供給されて前進方向（又は後進方向）へ回転駆動され、前進走行（又は後進走行）を開始する。またこのとき、詳細な図示は省略するが、上記実施形態と同様の原理で、その操作レバーの操作量が例えば所定のしきい値を超えると、コントローラ１６からの信号に基づく電動・発電機制御装置１８Ｌ，１８Ｒの制御によって蓄電装置１９に蓄えた電気エネルギがそれぞれ電動・発電機２３Ｌ，２３Ｒに供給されて電動・発電機２３Ｌ，２３Ｒが電動機として作用し前進方向（又は後進方向）のトルクを発生し、これによって従動輪２２Ｌ，２２Ｒ、無限軌道履帯１Ａ、及び駆動輪２４Ｌ，２４Ｒを介し、左・右走行用油圧モータ１１Ｌ，１１Ｒの駆動を補助する。
【００３９】
その後、例えば目的地まで到達したら、操作者は走行停止させるべく操作レバー装置１５の走行用操作レバー（図示せず）を中立位置に戻す。すると、これに応じてコントローラ１６から左・右走行用コントロールバルブへの駆動信号がゼロとなり、左・右走行用コントロールバルブが中立位置に復帰して油圧ポンプ１３から左・右走行用油圧モータ１１Ｌ，１１Ｒへの圧油供給が遮断される。
【００４０】
このとき、左・右走行用油圧モータ１１Ｌ，１１Ｒにより駆動される下部走行体１及び上部旋回体２は大型物であって自重が非常に重いことから、走行運動している下部走行体１は大きな慣性運動エネルギを持っており、左・右走行用油圧モータ１１Ｌ，１１Ｒへの圧油供給が遮断されてもそのまま走行運動を継続しようとする。これを利用して本実施形態においては、上記実施形態と同様、例えば走行用操作レバーの操作量が０（中立位置）近傍の所定範囲内となるとコントローラ１６からの信号に基づく電動・発電機制御装置１８Ｌ，１８Ｒの制御によって、左・右従動輪２２Ｌ．２２Ｒに併設した電動・発電機２３Ｌ，２３Ｒで発電を行う。すなわちこの場合、電動・発電機２３Ｌ，２３Ｒは発電機として作用して逆方向である後進方向（又は前進方向）へのトルクを発生しつつ発電を行い上記慣性エネルギを電気エネルギに変換し、この電気エネルギを蓄電装置１９に効率よく蓄える（回生する）。この蓄電装置１９に蓄えた電気エネルギは、次回の下部走行体１の自走時に再び電動・発電機２３Ｌ，２３Ｒに供給され、従動輪２２Ｌ，２２Ｒ、無限軌道履帯１Ａ、駆動輪２４Ｌ，２４Ｒを介して左・右走行用油圧モータ１１Ｌ，１１Ｒを補助的に駆動することに用いられる。
【００４１】
以上のようにして、本変形例によれば、上記実施形態と同様の原理で、下部走行体１の走行減速時・停止時に高い効率でエネルギ回収を行うことができる。またこのとき、本実施形態の構成によれば、既存の油圧建設機械をベースとして、その従動輪２２Ｌ，２２Ｒに電動・発電機２３Ｌ，２３Ｒを併設するとともに電動・発電機制御装置１８Ｌ，１８Ｒ、蓄電装置１９を後づけで追加するだけの簡単な構成で実現できるので、実用化が非常に容易である。
【００４２】
本発明の第２の実施形態を図９及び図１０により説明する。
【００４３】
図９は、本実施形態のエネルギ回生装置の適用対象である油圧建設機械（この例では油圧ショベル）の全体構造を表す側面図であり、図１０は、本実施形態のエネルギ回生装置を、油圧建設機械の油圧駆動装置とともに示す図である。
【００４４】
図９及び図１０において、本実施形態においては、上記した旋回用油圧モータ１０、左・右走行用油圧モータ１１Ｌ，１１Ｒに代えて、旋回用電動機（電動モータ）２５と、左・右走行用電動機（電動モータ）２６Ｌ，２６Ｒとを備えている。
【００４５】
またこの油圧ショベルの油圧駆動装置は、上記ブーム用油圧シリンダ７、アーム用油圧シリンダ８、バケット用油圧シリンダ９、旋回用電動機２５と、左・右走行用電動機２６Ｌ，２６Ｒと、交流・直流変換機能や電圧・周波数等を所要に変換する機能を備え上記電動機２５，２６Ｌ，２６Ｒの制御をそれぞれ行う電動機制御装置（インバータ／コンバータ）２７，２８Ｌ，２８Ｒと、原動機としてのエンジン２９と、このエンジン２９により直接駆動される発電機３０と、発電機３０に接続された蓄電装置３１と、発電機３０を制御して蓄電装置３１に蓄電する発電機制御装置３２と、油圧ポンプ３３と、この油圧ポンプ３３を駆動する電動機３４と（なお油圧ポンプ３３はエンジン２９により駆動されてもよい）、交流・直流変換機能や電圧・周波数等を所要に変換する機能を備え上記電動機３４の制御を行う電動機制御装置（インバータ／コンバータ）３５と、油圧ポンプ３３より吐出されブーム用油圧シリンダ７、アーム用油圧シリンダ８、バケット用油圧シリンダ９へそれぞれ供給される圧油の流れを制御するブーム用コントロールバルブ、アーム用コントロールバルブ、バケット用コントロールバルブ等を備えたコントロールバルブ装置３６とを備えている。
【００４６】
そして、本実施形態のエネルギ回生装置は、図５を用いて説明した上記（１）の変形例と同様、ブーム用油圧シリンダ７に駆動力伝達機構（例えばワイヤーロープ）２０を介し間接的に連結され、ブーム用油圧シリンダ７の駆動補助あるいは被駆動（発電）を行う電動・発電機２１と、交流・直流変換機能や電圧・周波数等を所要に変換する機能を備え上記電動・発電機２１の制御を行う電動機制御装置（インバータ／コンバータ）３７とを備えている。
【００４７】
上記構成である本実施形態においては、上記（１）の変形例と同様、例えば操作者が掘削積み込み作業を行おうしてブーム３を上げ動作させるべく操作レバー装置１５のブーム用操作レバー（図示せず）を上げ方向に操作すると、その操作信号を入力したコントローラ１６からその操作量に対応する駆動信号が生成されてコントロールバルブ装置３６に出力され、ブーム用コントロールバルブがその駆動信号に対応して切り換えられ、油圧ポンプ３３からの圧油がブーム用コントロールバルブからブーム用油圧シリンダ７のボトム側へ供給されかつロッド側から戻り油が排出されてブーム用油圧シリンダ７が伸長駆動され、ブーム上げ動作を開始する。このとき、詳細な図示を省略するが、上記（１）の変形例と同様、例えばブーム用操作レバーの上げ方向への操作量が所定のしきい値を超えると、コントローラ１６からの信号に基づく電動・発電機制御装置１８の制御によって蓄電装置１９に蓄えた電気エネルギが電動・発電機２１に供給されて電動・発電機２１が電動機として作用しブーム上げ方向のトルクを発生し、これによって駆動力伝達機構２０を介しブーム用油圧シリンダ７の伸長駆動を補助する。
【００４８】
その後、例えば積み込みが終了したら、操作者はブーム下げ動作を行うべく操作レバー装置１５のブーム用操作レバー（図示せず）を下げ方向に操作する。すると、これに応じてコントローラ１６からブーム用コントロールバルブへ対応する駆動信号が出力され、ブーム用コントロールバルブが切り換えられ、油圧ポンプ３３からの圧油がブーム用コントロールバルブからブーム用油圧シリンダ７のロッド側へ供給されかつボトム側から戻り油が排出され、このような油の流通に基づき主としてブーム３の自重の作用によってブーム用油圧シリンダ７が縮短駆動され、ブーム下げ動作が開始される。本実施形態においては、上記（１）の変形例と同様の原理で、ブーム用操作レバーの操作量がブーム下げ方向に所定のしきい値を超えると、コントローラ１６からの信号に基づく電動・発電機制御装置１８の制御によってブーム用油圧シリンダ７に連結した電動・発電機２１で発電を行う。すなわちこの場合、電動・発電機２１は発電機として作用してブーム下げと逆方向のブーム上げ方向へのトルクを発生しつつ発電を行い自重落下時のブーム３の位置エネルギの放出を電気エネルギに変換し、この電気エネルギを蓄電装置３１に効率よく蓄える（回生する）。この蓄電装置３１に蓄えた電気エネルギは、次回のブーム３の上げ駆動時に再び電動・発電機２１に供給されブーム用油圧シリンダ７を補助的に駆動することに用いられる。
【００４９】
以上のようにして、本変形例によれば、上記（１）の変形例と同様の原理で、ブーム３の下げ動作時における自重落下時に高い効率でエネルギ回収を行うことができる。またこのとき、本実施形態の構成によれば、既存の油圧建設機械に備えられた油圧アクチュエータ７，８，９を残し、そのブーム用油圧シリンダ７に電動・発電機２１を併設するとともに電動・発電機制御装置１８、蓄電装置１９を後づけで追加しているので、例えばすべてのアクチュエータを電動モータとｓるした従来構造に比べれば、実用化が容易である。
【００５０】
なお、以上においては、建設機械の例として油圧ショベルを例にとって説明したが、これに限られず、油圧アクチュエータを備えたものであれば他の建設機械、例えばクローラクレーン、ホイールローダ、ホイールショベル等に対しても適用でき、この場合も同様の効果を得る。
【００５１】
【発明の効果】
本発明によれば、高効率でエネルギ回収を行うことができる。また、既存の油圧建設機械をベースとして、その油圧アクチュエータに電動・発電機を併設するとともに電動・発電機制御手段、蓄電手段を後づけで追加するだけの簡単な構成で実現できるので、実用化が非常に容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態によるエネルギ回生装置の適用対象である油圧建設機械の全体構造を表す側面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態のエネルギ回生装置を、油圧建設機械の油圧駆動装置とともに示す図である。
【図３】図２に示した構成において、旋回用操作レバーの操作量と電動・発電機におけるモータトルク発生量（発生方向）との関係を概念的に表した説明図である。
【図４】ブーム用油圧シリンダに適用した本発明の第１の実施形態の変形例の適用対象である油圧建設機械の全体構造を表す側面図である。
【図５】ブーム用油圧シリンダに適用した本発明の第１の実施形態の変形例のエネルギ回生装置を、油圧建設機械の油圧駆動装置とともに示す図である。
【図６】図５に示した構成において、ブーム用操作レバーの操作量と電動・発電機におけるモータトルク発生量（発生方向）との関係を概念的に表した説明図である。
【図７】走行用油圧モータに適用した本発明の第１の実施形態の変形例の適用対象である油圧建設機械の全体構造を表す側面図である。
【図８】走行用油圧モータに適用した本発明の第１の実施形態の変形例のエネルギ回生装置を、油圧建設機械の油圧駆動装置とともに示す図である。
【図９】本発明の第２の実施形態によるエネルギ回生装置の適用対象である油圧建設機械の全体構造を表す側面図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態のエネルギ回生装置を、油圧建設機械の油圧駆動装置とともに示す図である。
【符号の説明】
１ 下部走行体
１Ａ 無限軌道履帯
２ 上部旋回体
６ 油圧作業機
７ ブーム用油圧シリンダ（油圧アクチュエータ）
８ アーム用油圧シリンダ（油圧アクチュエータ）
９ バケット用油圧シリンダ（油圧アクチュエータ）
１０ 旋回用油圧モータ（油圧アクチュエータ）
１１Ｌ，Ｒ 左・右走行用油圧モータ（油圧アクチュエータ）
１２ エンジン（原動機）
１３ 油圧ポンプ
１７ 電動・発電機（第１電動・発電機）
１８ 電動・発電機制御装置（第１電動・発電機制御手段；電動・発電機制御手段）
１９ 蓄電装置（第１蓄電手段；蓄電手段）
２１ 電動・発電機（第２電動・発電機）
３１ 蓄電装置（第２蓄電手段；蓄電手段）
３７ 電動・発電機制御装置（第２電動・発電機制御手段；電動・発電機制御手段）
【発明の属する技術分野】
本発明は、油圧ショベルやホイールローダなどの油圧建設機械に係わり、特に、その油圧建設機械に設けられたエネルギ回生装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、建設機械の１つである油圧ショベルは、下部走行体と、この下部走行体に旋回可能に設けた上部旋回体と、この上部旋回体に伏仰可能に接続され、ブーム、アーム、及びバケットを含む多関節型のフロント作業機とを備えている。
【０００３】
これら下部走行体、上部旋回体、及びフロント装置は、この油圧ショベルに備えられた油圧駆動装置の被駆動部材を構成している。この油圧駆動装置は、一般に、エンジン等の原動機と、この原動機によって駆動する少なくとも１つの油圧ポンプと、前記油圧ポンプから吐出された圧油により前記ブーム、アーム、バケットをそれぞれ駆動するブーム用油圧シリンダ、アーム用油圧シリンダ、バケット用油圧シリンダ、及び前記油圧ポンプから吐出された圧油により前記下部走行体を走行させる走行用油圧モータ、及び前記油圧ポンプから吐出された圧油により前記上部旋回体を下部走行体に対し旋回させる旋回用油圧モータを含む複数の油圧アクチュエータと、これら複数の油圧アクチュエータをそれぞれ操作する操作手段とを有している。
【０００４】
ここで、上記油圧油圧アクチュエータの被駆動部材の中でも、例えば、旋回用油圧モータにより旋回駆動される上部旋回体や、ブーム用油圧シリンダにより伏仰駆動されるブームは大型物であり、その自重が比較的重い。したがって、旋回運動している上部旋回体は大きな慣性運動エネルギを持っており、また自重で落下するブームは大きな位置エネルギを放出していることとなるが、元来、これら旋回の慣性運動エネルギやブームの位置エネルギは、油圧駆動装置の油圧回路中において作動油が流動するときの絞り損失としてそのまま捨てられていた。
【０００５】
そこで、これを回収し有効活用するために、例えば、特開２０００−１３６８０６号公報や特開平１１−３４３６４２号公報に記載の従来技術が提唱されている。
【０００６】
特開２０００−１３６８０６号公報に記載のエネルギ回収装置は、ブーム用油圧シリンダや旋回用油圧モータの排出油でポンプモータを駆動し、この動力で発電機を駆動して発生した電力をバッテリに蓄え、そのバッテリの電力を再生に利用するものであり、これによって旋回時の慣性運動エネルギやブーム下げ時の位置エネルギを回収し有効活用できるように図っている。
【０００７】
特開平１１−３４３６４２号公報に記載のバッテリー駆動式作業機械では、旋回用アクチュエータ及びブーム用アクチュエータとして電動モータ（兼発電機）を使用することにより、旋回時の慣性運動エネルギやブーム下げ時の位置エネルギを電力としてバッテリに蓄えるようになっている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術には以下の課題が存在する。
【０００９】
特開２０００−１３６８０６号公報に記載の従来技術では、圧油のエネルギを回収するために、油圧ポンプモータによって電動モータを駆動するので回収効率が低い。また、エネルギ回収用の油圧装置を別途設ける必要があるため、装置が複雑となる。また特に、排出油についてのメータリングを制御するのは困難である。以上の結果、現実には実用化は困難である。
【００１０】
特開平１１−３４３６４２号公報に記載の従来技術では、すべてのアクチュエータを電動モータとしているが、現状では電動モータで現行の油圧アクチュエータと同等の性能を得るのは困難であるため、アクチュエータをすべて電動モータ化するのは実際上無理がある。特に、ブームの駆動アクチュエータとして電動モータを使用しようとすると大駆動力を得るためには減速機が必要となり、駆動系の大型化を招く。以上の結果、現実には実用化は困難である。
【００１１】
本発明の目的は、簡単かつ実用化が容易な構成で、高効率のエネルギ回収を行える油圧建設機械のエネルギ回生装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
（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を含む複数の油圧アクチュエータと、前記複数の油圧アクチュエータに圧油を供給する油圧ポンプと、前記油圧ポンプを駆動する原動機とを備える油圧建設機械に設けられた油圧建設機械のエネルギ回生装置において、前記複数の油圧アクチュエータのうち少なくとも前記旋回用油圧モータに直結され又は機械的機構を介し間接的に連結され、その補助的な駆動・被駆動を行う第１電動・発電機と、前記第１電動・発電機と電気エネルギの授受を行う第１蓄電手段と、前記第１電動・発電機の動作を制御する第１電動・発電機制御手段とを備え、前記第１電動・発電機制御手段は、旋回用操作レバーの操作量が所定値以上になると、前記第１蓄電手段の電気エネルギーを前記第１電動・発電機に供給して前記第１電動・発電機を電動機として作用させ、前記旋回用操作レバーの操作量が０近傍の所定範囲内となると、前記第１電動・発電機を発電機として作用させ、その第１電動・発電機で発生した電気エネルギーを前記第１蓄電手段に蓄えるよう前記第１電動・発電機の動作を制御するものとする。
【００１３】
本発明においては、第１電動・発電機制御手段の制御に基づき、少なくとも旋回用油圧モータに併設された第１電動・発電機が旋回用油圧モータの補助的な駆動・被駆動を行い、第１蓄電手段と電気エネルギの授受を行う。これにより、上部旋回体の減速時にその慣性運動エネルギによって旋回用油圧モータに併設した第１電動・発電機で発電を行い、その電気エネルギを第１蓄電手段に効率よく蓄える（回生する）ことが可能となる。また上部旋回体の駆動時に、その第１蓄電手段に蓄えた電気エネルギを第１電動・発電機に供給し旋回用油圧モータを補助的に駆動することができる。
【００１４】
本発明においては、以上のようにして、高効率でエネルギ回収を行うことができる。また、既存の油圧建設機械をベースとして、旋回用油圧モータに第１電動・発電機を併設するとともに第１電動・発電機制御手段、第１蓄電手段を後づけで追加するだけの簡単な構成で実現できるので、実用化が非常に容易である。さらに、原動機としてエンジンを使う場合には作業あたりの燃費を向上するとともにエンジン排気ガス量を低減できる効果もある。
【００１６】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記第１電動・発電機制御手段は、前記旋回用油圧モータが減速する際の運動エネルギを電気エネルギとして前記第１蓄電手段に回生するように、前記第１電動・発電機の動作を制御する。
【００１７】
（３）上記目的を達成するために、また本発明は、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、この上部旋回体に俯仰可能に連結され、ブーム、アーム、バケットを備えた多関節型のフロント作業機と、前記ブーム、前記アーム、前記バケットをそれぞれ駆動するブーム用油圧シリンダ、アーム用油圧シリンダ、バケット用油圧シリンダを含む複数の油圧アクチュエータと、前記複数の油圧アクチュエータに圧油を供給する油圧ポンプと、前記油圧ポンプを駆動する原動機とを備える油圧建設機械に設けられた油圧建設機械のエネルギ回生装置において、前記複数の油圧アクチュエータのうち少なくとも前記ブーム用油圧シリンダに直結され又は機械的機構を介し間接的に連結され、その補助的な駆動・被駆動を行う第２電動・発電機と、前記第２電動・発電機と電気エネルギの授受を行う第２蓄電手段と、前記第２電動・発電機の動作を制御する第２電動・発電機制御手段とを備え、前記第２電動・発電機制御手段は、ブーム用操作レバーの上げ方向を正で表した場合、ブーム用操作レバーの操作量がブーム上げ方向で所定値以上になると、前記第２蓄電手段の電気エネルギーを前記第２電動・発電機に供給して前記第２電動・発電機を電動機として作用させ、前記ブーム用操作レバーの操作量がブーム下げ方向で所定値以下になると、前記第２電動・発電機を発電機として作用させ、その第２電動・発電機で発生した電気エネルギーを前記第２蓄電手段に蓄えるよう前記第２電動・発電機の動作を制御するものとする。
本発明においては、第２電動・発電機制御手段の制御に基づき、少なくともブーム用油圧シリンダに併設された第２電動・発電機がそのブーム用油圧シリンダの補助的な駆動・被駆動を行い、第２蓄電手段と電気エネルギの授受を行う。これにより、ブームが落下する時にその位置エネルギによってブーム用油圧シリンダに併設した第２電動・発電機で発電を行い、その電気エネルギを第２蓄電手段に効率よく蓄える（回生する）ことが可能となる。またブーム用油圧シリンダの駆動時に、その第２蓄電手段に蓄えた電気エネルギを第２電動・発電機に供給しブーム用油圧シリンダを補助的に駆動することができる。
本発明においては、以上のようにして、高効率でエネルギ回収を行うことができる。また、既存の油圧建設機械をベースとして、ブーム用油圧シリンダに第２電動・発電機を併設するとともに第２電動・発電機制御手段、第２蓄電手段を後づけで追加するだけの簡単な構成で実現できるので、実用化が非常に容易である。さらに、原動機としてエンジンを使う場合には作業あたりの燃費を向上するとともにエンジン排気ガス量を低減できる効果もある。
【００１８】
（４）上記（３）において、好ましくは、前記第２電動・発電機制御手段は、前記ブームの自重落下に伴う前記ブーム用油圧シリンダが縮短する際の運動エネルギを電気エネルギとして前記第２蓄電手段に回生するように、前記第２電動・発電機の動作を制御する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２０】
本発明の第１の実施形態を図１〜図４により説明する。
【００２１】
図１は、本実施形態のエネルギ回生装置の適用対象である油圧建設機械（この例では油圧ショベル）の全体構造を表す側面図であり、図２は、本実施形態のエネルギ回生装置を、油圧建設機械の油圧駆動装置とともに示す図である。
【００２２】
図１において、この油圧ショベルは、走行手段としての左・右無限軌道履帯１Ａを備えた下部走行体１と、この下部走行体１上に旋回可能に設けた上部旋回体２と、この上部旋回体２に俯仰動可能に接続され、ブーム３、アーム４、バケット５からなる多関節型の油圧作業機（フロント装置）６と、ブーム３、アーム４、バケット５、上部旋回体２、左・右無限軌道履帯１Ａをそれぞれ駆動するブーム用油圧シリンダ７、アーム用油圧シリンダ８、バケット用油圧シリンダ９、旋回用油圧モータ１０、左・右走行用油圧モータ１１Ｌ，１１Ｒとを備えている。
【００２３】
図２において、この油圧ショベルの油圧駆動装置は、上記ブーム用油圧シリンダ７、アーム用油圧シリンダ８、バケット用油圧シリンダ９、旋回用油圧モータ１０と、左・右走行用油圧モータ１１Ｌ，１１Ｒと、原動機としてのエンジン１２と、このエンジン１２により直接駆動される油圧ポンプ１３と、この油圧ポンプ１３より吐出され上記ブーム用油圧シリンダ７、アーム用油圧シリンダ８、バケット用油圧シリンダ９、旋回用油圧モータ１０、左・右走行用油圧モータ１１Ｌ，１１Ｒへそれぞれ供給される圧油の流れを制御するブーム用コントロールバルブ、アーム用コントロールバルブ、バケット用コントロールバルブ、旋回用コントロールバルブ、左・右走行用コントロールバルブ等を備えたコントロールバルブ装置１４と、操作レバー装置１５と、この操作レバー装置１５の操作信号を入力し、対応するコントロールバルブの駆動信号を生成して出力するコントローラ１６とを備えている。
【００２４】
そして、本実施形態のエネルギ回生装置は、旋回用油圧モータ１０に機械的に直結され、旋回用油圧モータ１０の駆動補助あるいは被駆動（発電）を行う電動・発電機１７と、交流・直流変換機能や電圧・周波数等を所要に変換する機能を備え、上記電動・発電機１７の制御を行う電動・発電機制御装置（インバータ／コンバータ）１８と、電動・発電機制御装置と電気エネルギの授受を行う蓄電装置（バッテリ）１９とを備えている。
【００２５】
次に、上記構成の本実施形態のエネルギ回収装置の動作及び作用効果を図３を用いて説明する。図３は、前述した旋回用操作レバーの操作量と上記電動・発電機１７におけるモータトルク発生量（発生方向）との関係を概念的に表した説明図であり、右旋回方向へのレバー操作量及びモータトルク発生量を正の値にとって表したものである。
【００２６】
上記構成である本実施形態においては、例えば操作者が掘削積み込み作業を行おうとして油圧ショベルの上部旋回体２を右旋回動作させるべく操作レバー装置１５の旋回用操作レバー（図示せず）を右旋回方向（又は左旋回方向、かっこ内対応関係同じ）に操作すると、その操作信号を入力したコントローラ１６からその操作量に対応する駆動信号が生成されてコントロールバルブ装置１４に出力され、旋回用コントロールバルブがその駆動信号に対応して切り換えられ、油圧ポンプ１３からの圧油が旋回用コントロールバルブから旋回用油圧モータ１０へ供給されて右方向（又は左方向）へ回転駆動され、旋回を開始する。またこのとき、図３に示すように、操作量ｘ（右方向を正で表す）が所定値ｘo以上となると（又は所定値−ｘo以下となると）、コントローラ１６からの信号に基づく電動・発電機制御装置１８の制御によって蓄電装置１９に蓄えた電気エネルギが電動・発電機１７に供給されて電動・発電機１７が電動機として作用し図３に示すように右旋回方向のトルクＴo（又は左旋回方向のトルク−Ｔo）を発生し、これによって旋回用油圧モータ１９の駆動を補助する。
【００２７】
その後、例えば上部旋回体２がある程度旋回したら（例えばバケット５が土砂運搬用ダンプトラックの荷台に近づいたら）、操作者は右（又は左）旋回動作を停止させるべく操作レバー装置１５の旋回用操作レバー（図示せず）を中立位置に戻す。すると、これに応じてコントローラ１６から旋回用コントロールバルブへの駆動信号がゼロとなり、旋回用コントロールバルブが中立位置に復帰して油圧ポンプ１３から旋回用油圧モータ１０への圧油供給が遮断される。
【００２８】
このとき、旋回用油圧モータ１７により旋回駆動される上部旋回体２は大型物であって自重が比較的重いことから、旋回運動している上部旋回体２は大きな慣性運動エネルギを持っており、旋回用油圧モータ１０への圧油供給が遮断されてもそのまま旋回運動を継続しようとする。これを利用して本実施形態においては、操作量ｘが０（中立位置）近傍の所定範囲内（−ｘｉ≦ｘ≦ｘｉ）となるとコントローラ１６からの信号に基づく電動・発電機制御装置１８の制御によって、旋回用油圧モータ１０に併設した電動・発電機１７で発電を行う。すなわちこの場合、電動・発電機１７は発電機として作用して逆方向の左旋回方向へのトルク−Ｔo（又は右旋回方向へのトルクＴo）を発生しつつ発電を行い上記慣性エネルギを電気エネルギに変換し、この電気エネルギを蓄電装置１９に効率よく蓄える（回生する）。この蓄電装置１９に蓄えた電気エネルギは、次回の上部旋回体２の旋回駆動時に再び電動・発電機１７に供給され旋回用油圧モータ１０を補助的に駆動することに用いられる。
【００２９】
以上のようにして、本実施形態によれば、上部旋回体２の旋回減速時・停止時に高い効率でエネルギ回収を行うことができる。またこのとき、本実施形態の構成によれば、既存の油圧建設機械をベースとして、その油圧アクチュエータ７，８，９，１０，１ｌ，１１Ｒのうちの旋回用油圧モータ１０に電動・発電機１７を併設するとともに電動・発電機制御装置１８、蓄電装置１９を後づけで追加するだけの簡単な構成で実現できるので、実用化が非常に容易である。さらに、エンジン１２の作業あたりの燃費を向上するとともにエンジン排気ガス量を低減できる効果もある。
【００３０】
なお、上記実施形態のように旋回用油圧モータ１０に電動・発電機を併設するのに代え、別のアクチュエータに直結又は間接的に電動・発電機を連結してもよい。以下、そのような変形例を説明する。
【００３１】
（１）ブーム用油圧シリンダに適用した場合
図４は、本変形例のエネルギ回生装置の適用対象である油圧建設機械（この例では油圧ショベル）の全体構造を表す側面図であり、図５は、本変形例のエネルギ回生装置を油圧建設機械の油圧駆動装置とともに示す図であり、図６はブーム用操作レバーの操作量と対応する電動・発電機２１（後述）におけるモータトルク発生量（発生方向）との関係を概念的に表した説明図（ブーム上げ方向へのレバー操作量及びモータトルク発生量を正の値にとって表している）であり、それぞれ上記図１、図２、及び図３に相当する図である。図１及び図２と同等の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００３２】
図４及び図５において、この変形例では、ブーム用油圧シリンダ７にブーム３及び駆動力伝達機構（例えばワイヤーロープ）２０を介し間接的に連結され、ブーム用油圧シリンダ７の駆動補助あるいは被駆動（発電）を行う電動・発電機２１を備えている。
【００３３】
上記構成である本変形例においては、例えば操作者が掘削積み込み作業を行おうしてブーム３を上げ動作させるべく操作レバー装置１５のブーム用操作レバー（図示せず）を上げ方向に操作すると、その操作信号を入力したコントローラ１６からその操作量に対応する駆動信号が生成されてコントロールバルブ装置１４に出力され、ブーム用コントロールバルブがその駆動信号に対応して切り換えられ、油圧ポンプ１３からの圧油がブーム用コントロールバルブからブーム用油圧シリンダ７のボトム側へ供給されかつロッド側から戻り油が排出されてブーム用油圧シリンダ７が伸長駆動され、ブーム上げ動作を開始する。またこのとき、図６に示すように、操作量ｙ（ブーム上げ方向を正で表す）が所定値ｙi以上となると、コントローラ１６からの信号に基づく電動・発電機制御装置１８の制御によって蓄電装置１９に蓄えた電気エネルギが電動・発電機２１に供給されて電動・発電機２１が電動機として作用し図６に示すようにブーム上げ方向のトルクＴ1を発生し、これによって駆動力伝達機構２０を介しブーム用油圧シリンダ７の伸長駆動を補助する。
【００３４】
その後、例えば積み込みが終了したら、操作者はブーム下げ動作を行うべく操作レバー装置１５のブーム用操作レバー（図示せず）を下げ方向に操作する。すると、これに応じてコントローラ１６からブーム用コントロールバルブへ対応する駆動信号が出力され、ブーム用コントロールバルブが切り換えられ、油圧ポンプ１３からの圧油がブーム用コントロールバルブからブーム用油圧シリンダ７のロッド側へ供給されかつボトム側から戻り油が排出され、このような油の流通に基づき主としてブーム３の自重の作用によってブーム用油圧シリンダ７が縮短駆動され、ブーム下げ動作が開始される。このとき、ブーム用油圧シリンダ７により駆動されるブーム３は大型物であって自重が比較的重いことから、自重落下するブーム３は大きな位置エネルギを放出している。これを利用して本実施形態においては、図６に示すように、操作量ｙ（ブーム上げ方向を正で表す）が所定値−ｙi以下となると、コントローラ１６からの信号に基づく電動・発電機制御装置１８の制御によってブーム用油圧シリンダ７に連結した電動・発電機２１で発電を行う。すなわちこの場合、電動・発電機２１は発電機として作用してブーム下げと逆方向のブーム上げ方向へのトルクＴ1を発生しつつ発電を行い上記位置エネルギを電気エネルギに変換し、この電気エネルギを蓄電装置１９に効率よく蓄える（回生する）。この蓄電装置１９に蓄えた電気エネルギは、次回のブーム３の上げ駆動時に再び電動・発電機２１に供給されブーム用油圧シリンダ７を補助的に駆動することに用いられる。
【００３５】
以上のようにして、本変形例によれば、上記実施形態と同様の原理で、ブーム３の下げ動作時における自重落下時に高い効率でエネルギ回収を行うことができる。またこのとき、本実施形態の構成によれば、既存の油圧建設機械をベースとして、その油圧アクチュエータ７，８，９，１０，１ｌ，１１Ｒのうちのブーム用油圧シリンダ７に電動・発電機２１を併設するとともに電動・発電機制御装置１８、蓄電装置１９を後づけで追加するだけの簡単な構成で実現できるので、実用化が非常に容易である。
【００３６】
（２）走行用油圧モータに適用した場合
図７は、本変形例のエネルギ回生装置の適用対象である油圧建設機械（この例では油圧ショベル）の全体構造を表す側面図であり、図８は、本変形例のエネルギ回生装置を油圧建設機械の油圧駆動装置とともに示す図であり、それぞれ上記図又は図４、及び、図２又は図５に相当する図である。図１〜図５と同等の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００３７】
図７及び図８において、この変形例では、左・右走行用油圧モータ１１Ｌ，１１Ｒの駆動する駆動輪２４Ｌ，２４Ｒ（図示せず）と履帯１Ａを介し間接的に連結された従動輪２２Ｌ，２２Ｒ（図示せず）に直結された（言い換えれば駆動輪２４Ｌ，２４Ｒ、履帯１Ａ、及び従動輪２２Ｌ，２２Ｒを介し左・右走行用油圧モータ１１Ｌ，１１Ｒと間接的に連結された）左・右電動・発電機２３Ｌ，２３Ｒを備えている。
【００３８】
上記構成である本変形例においては、例えば操作者が自力走行を行おうとして油圧ショベルの下部走行体１を走行動作させるべく操作レバー装置１５の走行用操作レバー（図示せず）を前進方向（又は後進方向、かっこ内対応関係同じ）に操作すると、その操作信号を入力したコントローラ１６からその操作量に対応する駆動信号が生成されてコントロールバルブ装置１４に出力され、左・右走行用コントロールバルブがその駆動信号に対応して切り換えられ、油圧ポンプ１３からの圧油が左・右走行用コントロールバルブから左・右走行用油圧モータ１１Ｌ，１１Ｒへ供給されて前進方向（又は後進方向）へ回転駆動され、前進走行（又は後進走行）を開始する。またこのとき、詳細な図示は省略するが、上記実施形態と同様の原理で、その操作レバーの操作量が例えば所定のしきい値を超えると、コントローラ１６からの信号に基づく電動・発電機制御装置１８Ｌ，１８Ｒの制御によって蓄電装置１９に蓄えた電気エネルギがそれぞれ電動・発電機２３Ｌ，２３Ｒに供給されて電動・発電機２３Ｌ，２３Ｒが電動機として作用し前進方向（又は後進方向）のトルクを発生し、これによって従動輪２２Ｌ，２２Ｒ、無限軌道履帯１Ａ、及び駆動輪２４Ｌ，２４Ｒを介し、左・右走行用油圧モータ１１Ｌ，１１Ｒの駆動を補助する。
【００３９】
その後、例えば目的地まで到達したら、操作者は走行停止させるべく操作レバー装置１５の走行用操作レバー（図示せず）を中立位置に戻す。すると、これに応じてコントローラ１６から左・右走行用コントロールバルブへの駆動信号がゼロとなり、左・右走行用コントロールバルブが中立位置に復帰して油圧ポンプ１３から左・右走行用油圧モータ１１Ｌ，１１Ｒへの圧油供給が遮断される。
【００４０】
このとき、左・右走行用油圧モータ１１Ｌ，１１Ｒにより駆動される下部走行体１及び上部旋回体２は大型物であって自重が非常に重いことから、走行運動している下部走行体１は大きな慣性運動エネルギを持っており、左・右走行用油圧モータ１１Ｌ，１１Ｒへの圧油供給が遮断されてもそのまま走行運動を継続しようとする。これを利用して本実施形態においては、上記実施形態と同様、例えば走行用操作レバーの操作量が０（中立位置）近傍の所定範囲内となるとコントローラ１６からの信号に基づく電動・発電機制御装置１８Ｌ，１８Ｒの制御によって、左・右従動輪２２Ｌ．２２Ｒに併設した電動・発電機２３Ｌ，２３Ｒで発電を行う。すなわちこの場合、電動・発電機２３Ｌ，２３Ｒは発電機として作用して逆方向である後進方向（又は前進方向）へのトルクを発生しつつ発電を行い上記慣性エネルギを電気エネルギに変換し、この電気エネルギを蓄電装置１９に効率よく蓄える（回生する）。この蓄電装置１９に蓄えた電気エネルギは、次回の下部走行体１の自走時に再び電動・発電機２３Ｌ，２３Ｒに供給され、従動輪２２Ｌ，２２Ｒ、無限軌道履帯１Ａ、駆動輪２４Ｌ，２４Ｒを介して左・右走行用油圧モータ１１Ｌ，１１Ｒを補助的に駆動することに用いられる。
【００４１】
以上のようにして、本変形例によれば、上記実施形態と同様の原理で、下部走行体１の走行減速時・停止時に高い効率でエネルギ回収を行うことができる。またこのとき、本実施形態の構成によれば、既存の油圧建設機械をベースとして、その従動輪２２Ｌ，２２Ｒに電動・発電機２３Ｌ，２３Ｒを併設するとともに電動・発電機制御装置１８Ｌ，１８Ｒ、蓄電装置１９を後づけで追加するだけの簡単な構成で実現できるので、実用化が非常に容易である。
【００４２】
本発明の第２の実施形態を図９及び図１０により説明する。
【００４３】
図９は、本実施形態のエネルギ回生装置の適用対象である油圧建設機械（この例では油圧ショベル）の全体構造を表す側面図であり、図１０は、本実施形態のエネルギ回生装置を、油圧建設機械の油圧駆動装置とともに示す図である。
【００４４】
図９及び図１０において、本実施形態においては、上記した旋回用油圧モータ１０、左・右走行用油圧モータ１１Ｌ，１１Ｒに代えて、旋回用電動機（電動モータ）２５と、左・右走行用電動機（電動モータ）２６Ｌ，２６Ｒとを備えている。
【００４５】
またこの油圧ショベルの油圧駆動装置は、上記ブーム用油圧シリンダ７、アーム用油圧シリンダ８、バケット用油圧シリンダ９、旋回用電動機２５と、左・右走行用電動機２６Ｌ，２６Ｒと、交流・直流変換機能や電圧・周波数等を所要に変換する機能を備え上記電動機２５，２６Ｌ，２６Ｒの制御をそれぞれ行う電動機制御装置（インバータ／コンバータ）２７，２８Ｌ，２８Ｒと、原動機としてのエンジン２９と、このエンジン２９により直接駆動される発電機３０と、発電機３０に接続された蓄電装置３１と、発電機３０を制御して蓄電装置３１に蓄電する発電機制御装置３２と、油圧ポンプ３３と、この油圧ポンプ３３を駆動する電動機３４と（なお油圧ポンプ３３はエンジン２９により駆動されてもよい）、交流・直流変換機能や電圧・周波数等を所要に変換する機能を備え上記電動機３４の制御を行う電動機制御装置（インバータ／コンバータ）３５と、油圧ポンプ３３より吐出されブーム用油圧シリンダ７、アーム用油圧シリンダ８、バケット用油圧シリンダ９へそれぞれ供給される圧油の流れを制御するブーム用コントロールバルブ、アーム用コントロールバルブ、バケット用コントロールバルブ等を備えたコントロールバルブ装置３６とを備えている。
【００４６】
そして、本実施形態のエネルギ回生装置は、図５を用いて説明した上記（１）の変形例と同様、ブーム用油圧シリンダ７に駆動力伝達機構（例えばワイヤーロープ）２０を介し間接的に連結され、ブーム用油圧シリンダ７の駆動補助あるいは被駆動（発電）を行う電動・発電機２１と、交流・直流変換機能や電圧・周波数等を所要に変換する機能を備え上記電動・発電機２１の制御を行う電動機制御装置（インバータ／コンバータ）３７とを備えている。
【００４７】
上記構成である本実施形態においては、上記（１）の変形例と同様、例えば操作者が掘削積み込み作業を行おうしてブーム３を上げ動作させるべく操作レバー装置１５のブーム用操作レバー（図示せず）を上げ方向に操作すると、その操作信号を入力したコントローラ１６からその操作量に対応する駆動信号が生成されてコントロールバルブ装置３６に出力され、ブーム用コントロールバルブがその駆動信号に対応して切り換えられ、油圧ポンプ３３からの圧油がブーム用コントロールバルブからブーム用油圧シリンダ７のボトム側へ供給されかつロッド側から戻り油が排出されてブーム用油圧シリンダ７が伸長駆動され、ブーム上げ動作を開始する。このとき、詳細な図示を省略するが、上記（１）の変形例と同様、例えばブーム用操作レバーの上げ方向への操作量が所定のしきい値を超えると、コントローラ１６からの信号に基づく電動・発電機制御装置１８の制御によって蓄電装置１９に蓄えた電気エネルギが電動・発電機２１に供給されて電動・発電機２１が電動機として作用しブーム上げ方向のトルクを発生し、これによって駆動力伝達機構２０を介しブーム用油圧シリンダ７の伸長駆動を補助する。
【００４８】
その後、例えば積み込みが終了したら、操作者はブーム下げ動作を行うべく操作レバー装置１５のブーム用操作レバー（図示せず）を下げ方向に操作する。すると、これに応じてコントローラ１６からブーム用コントロールバルブへ対応する駆動信号が出力され、ブーム用コントロールバルブが切り換えられ、油圧ポンプ３３からの圧油がブーム用コントロールバルブからブーム用油圧シリンダ７のロッド側へ供給されかつボトム側から戻り油が排出され、このような油の流通に基づき主としてブーム３の自重の作用によってブーム用油圧シリンダ７が縮短駆動され、ブーム下げ動作が開始される。本実施形態においては、上記（１）の変形例と同様の原理で、ブーム用操作レバーの操作量がブーム下げ方向に所定のしきい値を超えると、コントローラ１６からの信号に基づく電動・発電機制御装置１８の制御によってブーム用油圧シリンダ７に連結した電動・発電機２１で発電を行う。すなわちこの場合、電動・発電機２１は発電機として作用してブーム下げと逆方向のブーム上げ方向へのトルクを発生しつつ発電を行い自重落下時のブーム３の位置エネルギの放出を電気エネルギに変換し、この電気エネルギを蓄電装置３１に効率よく蓄える（回生する）。この蓄電装置３１に蓄えた電気エネルギは、次回のブーム３の上げ駆動時に再び電動・発電機２１に供給されブーム用油圧シリンダ７を補助的に駆動することに用いられる。
【００４９】
以上のようにして、本変形例によれば、上記（１）の変形例と同様の原理で、ブーム３の下げ動作時における自重落下時に高い効率でエネルギ回収を行うことができる。またこのとき、本実施形態の構成によれば、既存の油圧建設機械に備えられた油圧アクチュエータ７，８，９を残し、そのブーム用油圧シリンダ７に電動・発電機２１を併設するとともに電動・発電機制御装置１８、蓄電装置１９を後づけで追加しているので、例えばすべてのアクチュエータを電動モータとｓるした従来構造に比べれば、実用化が容易である。
【００５０】
なお、以上においては、建設機械の例として油圧ショベルを例にとって説明したが、これに限られず、油圧アクチュエータを備えたものであれば他の建設機械、例えばクローラクレーン、ホイールローダ、ホイールショベル等に対しても適用でき、この場合も同様の効果を得る。
【００５１】
【発明の効果】
本発明によれば、高効率でエネルギ回収を行うことができる。また、既存の油圧建設機械をベースとして、その油圧アクチュエータに電動・発電機を併設するとともに電動・発電機制御手段、蓄電手段を後づけで追加するだけの簡単な構成で実現できるので、実用化が非常に容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態によるエネルギ回生装置の適用対象である油圧建設機械の全体構造を表す側面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態のエネルギ回生装置を、油圧建設機械の油圧駆動装置とともに示す図である。
【図３】図２に示した構成において、旋回用操作レバーの操作量と電動・発電機におけるモータトルク発生量（発生方向）との関係を概念的に表した説明図である。
【図４】ブーム用油圧シリンダに適用した本発明の第１の実施形態の変形例の適用対象である油圧建設機械の全体構造を表す側面図である。
【図５】ブーム用油圧シリンダに適用した本発明の第１の実施形態の変形例のエネルギ回生装置を、油圧建設機械の油圧駆動装置とともに示す図である。
【図６】図５に示した構成において、ブーム用操作レバーの操作量と電動・発電機におけるモータトルク発生量（発生方向）との関係を概念的に表した説明図である。
【図７】走行用油圧モータに適用した本発明の第１の実施形態の変形例の適用対象である油圧建設機械の全体構造を表す側面図である。
【図８】走行用油圧モータに適用した本発明の第１の実施形態の変形例のエネルギ回生装置を、油圧建設機械の油圧駆動装置とともに示す図である。
【図９】本発明の第２の実施形態によるエネルギ回生装置の適用対象である油圧建設機械の全体構造を表す側面図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態のエネルギ回生装置を、油圧建設機械の油圧駆動装置とともに示す図である。
【符号の説明】
１ 下部走行体
１Ａ 無限軌道履帯
２ 上部旋回体
６ 油圧作業機
７ ブーム用油圧シリンダ（油圧アクチュエータ）
８ アーム用油圧シリンダ（油圧アクチュエータ）
９ バケット用油圧シリンダ（油圧アクチュエータ）
１０ 旋回用油圧モータ（油圧アクチュエータ）
１１Ｌ，Ｒ 左・右走行用油圧モータ（油圧アクチュエータ）
１２ エンジン（原動機）
１３ 油圧ポンプ
１７ 電動・発電機（第１電動・発電機）
１８ 電動・発電機制御装置（第１電動・発電機制御手段；電動・発電機制御手段）
１９ 蓄電装置（第１蓄電手段；蓄電手段）
２１ 電動・発電機（第２電動・発電機）
３１ 蓄電装置（第２蓄電手段；蓄電手段）
３７ 電動・発電機制御装置（第２電動・発電機制御手段；電動・発電機制御手段）
Claims (4)
- 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を含む複数の油圧アクチュエータと、前記複数の油圧アクチュエータに圧油を供給する油圧ポンプと、前記油圧ポンプを駆動する原動機とを備える油圧建設機械に設けられた油圧建設機械のエネルギ回生装置において、
前記複数の油圧アクチュエータのうち少なくとも前記旋回用油圧モータに直結され又は機械的機構を介し間接的に連結され、その補助的な駆動・被駆動を行う第１電動・発電機と、
前記第１電動・発電機と電気エネルギの授受を行う第１蓄電手段と、
前記第１電動・発電機の動作を制御する第１電動・発電機制御手段とを備え、
前記第１電動・発電機制御手段は、旋回用操作レバーの操作量が所定値以上になると、前記第１蓄電手段の電気エネルギーを前記第１電動・発電機に供給して前記第１電動・発電機を電動機として作用させ、前記旋回用操作レバーの操作量が０近傍の所定範囲内となると、前記第１電動・発電機を発電機として作用させ、その第１電動・発電機で発生した電気エネルギーを前記第１蓄電手段に蓄えるよう前記第１電動・発電機の動作を制御することを特徴とする油圧建設機械のエネルギ回生装置。 - 請求項１記載の油圧建設機械のエネルギ回生装置において、前記第１電動・発電機制御手段は、前記旋回用油圧モータが減速する際の運動エネルギを電気エネルギとして前記第１蓄電手段に回生するように、前記第１電動・発電機の動作を制御することを特徴とする油圧建設機械のエネルギ回生装置。
- 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、この上部旋回体に俯仰可能に連結され、ブーム、アーム、バケットを備えた多関節型のフロント作業機と、前記ブーム、前記アーム、前記バケットをそれぞれ駆動するブーム用油圧シリンダ、アーム用油圧シリンダ、バケット用油圧シリンダを含む複数の油圧アクチュエータと、前記複数の油圧アクチュエータに圧油を供給する油圧ポンプと、前記油圧ポンプを駆動する原動機とを備える油圧建設機械に設けられた油圧建設機械のエネルギ回生装置において、
前記複数の油圧アクチュエータのうち少なくとも前記ブーム用油圧シリンダに直結され又は機械的機構を介し間接的に連結され、その補助的な駆動・被駆動を行う第２電動・発電機と、
前記第２電動・発電機と電気エネルギの授受を行う第２蓄電手段と、
前記第２電動・発電機の動作を制御する第２電動・発電機制御手段とを備え、
前記第２電動・発電機制御手段は、ブーム用操作レバーの上げ方向を正で表した場合、ブーム用操作レバーの操作量がブーム上げ方向で所定値以上になると、前記第２蓄電手段の電気エネルギーを前記第２電動・発電機に供給して前記第２電動・発電機を電動機として作用させ、前記ブーム用操作レバーの操作量がブーム下げ方向で所定値以下になると、前記第２電動・発電機を発電機として作用させ、その第２電動・発電機で発生した電気エネルギーを前記第２蓄電手段に蓄えるよう前記第２電動・発電機の動作を制御することを特徴とする油圧建設機械のエネルギ回生装置。 - 請求項３記載の油圧建設機械のエネルギ回生装置において、前記第２電動・発電機制御手段は、前記ブームの自重落下に伴う前記ブーム用油圧シリンダが縮短する際の運動エネルギを電気エネルギとして前記第２蓄電手段に回生するように、前記第２電動・発電機の動作を制御することを特徴とする油圧建設機械のエネルギ回生装置。
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