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発明の名称 作業機械用液圧回路およびハイブリッド作業機械
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2001−11899(P2001−11899A)
公開日 平成13年1月16日(2001.1.16)
出願番号 特願平11−181176
出願日 平成11年6月28日(1999.6.28)
代理人 【識別番号】100089196
【弁理士】
【氏名又は名称】梶 良之
【テーマコード(参考)】
2D003
3H089
【Fターム(参考)】
2D003 AA01 AB03 AB07 BA01 BA05 BA08 BB02 CA05 DA04 
3H089 AA44 CC01 DA03 DA14 DB03 DB12 DB33 EE31 EE36 GG02 JJ20
発明者 菅野 直紀 / 今西 悦二郎
要約 目的


構成
特許請求の範囲
【請求項1】 電動機で駆動される液圧ポンプに接続された液圧アクチュエータを制御するための作業機械用液圧回路において、前記液圧ポンプと前記液圧アクチュエータとの間に設けられた配管を通過する圧液の流量を制限する流量制限手段が設けられていることを特徴とする作業機械用液圧回路。
【請求項2】 前記流量制限手段が、前記液圧ポンプから前記液圧アクチュエータに圧液を供給する配管に設けられていることを特徴とする請求項1に記載の作業機械用液圧回路。
【請求項3】 前記流量制限手段が、前記配管内の圧力にかかわらず前記液圧アクチュエータに一定量の圧液を供給可能であることを特徴とする請求項1または2に記載の作業機械用液圧回路。
【請求項4】 エンジンで駆動される発電機の電力により蓄電手段に蓄電可能であるとともに、これら発電機および蓄電手段の少なくとも一方の電力により電動機を作動させるハイブリッド作業機械において、前記電動機によって駆動される液圧ポンプと、前記液圧ポンプによって作動される液圧アクチュエータと、前記液圧ポンプと前記液圧アクチュエータとの間に設けられた配管と、前記配管を通過する圧液の流量を制限する流量制限手段とを備えていることを特徴とするハイブリッド作業機械。
【請求項5】 前記流量制限手段が、前記液圧ポンプから前記液圧アクチュエータに圧液を供給する配管に設けられていることを特徴とする請求項4に記載のハイブリッド作業機械。
【請求項6】 前記流量制限手段が、前記配管内の圧力にかかわらず前記液圧アクチュエータに一定量の圧液を供給可能であることを特徴とする請求項4または5に記載のハイブリッド作業機械。
【請求項7】 電動機と、前記電動機で駆動される液圧ポンプと、前記液圧ポンプから圧液が供給されて動作する液圧アクチュエータと、前記液圧ポンプと前記液圧アクチュエータとに接続されて液圧閉回路を形成する第1および第2の配管と、前記第1の配管が供給側配管となるときに前記第1の配管を通過する圧液の流量を制限する第1の流量制限手段、および、前記第2の配管が供給側配管となるときに前記第2の配管を通過する圧液の流量を制限する第2の流量制限手段と、前記第1および第2の流量制限手段を通過する圧液の流量を可変制御する制御手段とを備えていることを特徴とする作業機械用液圧回路。
発明の詳細な説明
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、作業機械用液圧回路およびハイブリッド作業機械に関し、特に、動作部の微操作を良好に行うことができる作業機械用液圧回路およびハイブリッド作業機械に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、油圧ショベル、ホイールローダなどの建設機器やフォークリフトなどの油圧作業機を含む油圧駆動装置として、エンジンの負担や燃料消費率低減などのために動力源としてエンジンのほかに発電機およびバッテリをも備えるようにした、所謂ハイブリッド型のものの開発が進められている。
【0003】かかるハイブリッド型の油圧駆動装置などでは、エンジンにより発生したトルクで油圧ポンプを駆動するのに代えて、バッテリに蓄えられた電気エネルギーを動力源とする電動機により発生したトルクで油圧ポンプを駆動し、これによって油圧シリンダを動作させることが可能である。
【0004】このように、電動機で駆動される油圧ポンプに接続された油圧シリンダの速度を制御しようとする場合の技術としては、特開平9−174300号公報に記載されているように油圧シリンダの加圧圧力を検出し、検出された圧力に基づいてインバータを介して電動機の回転数を制御するという技術がある。このように油圧シリンダへの負荷変動に応じて電動機の回転数を制御することよって、油圧ポンプから吐出される圧油の流量が制御されて油圧シリンダの速度を変更することが可能である。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】上記公報に記載された技術によって電動機で駆動される油圧ポンプに接続された油圧シリンダの位置決めをするための微操作を行う場合、電動機の回転数をきわめて低く保って油圧シリンダに供給される圧油量を少なくしなければならない。しかしながら、通常、電動機の回転数をきわめて低く保つのは、電動機の制御装置の精度上の問題、低回転域において油圧ポンプの効率が低下する問題や回転系の摩擦の問題などのために困難である。
【0006】すなわち、操作レバーの操作量と油圧ポンプの吐出量との関係を示すグラフである図5に示すように、操作レバーの操作量が比較的大きい領域では両者は比例関係にあるが、レバー操作量が小さい微操作領域(図5において破線の円で囲んだ領域)ではレバー操作量をS1 以下としてもポンプ吐出量を所定量Q1 以下の微小な量にレバー操作に応じて制御することができない。そのために上述の公報に記載された技術では油圧シリンダに駆動される動作部の良好な微操作を行うことができないという問題がある。
【0007】そこで、本発明の主な目的は、電動機で駆動される油圧ポンプに接続された液圧アクチュエータに駆動される動作部を良好に微操作することが可能な作業機械用液圧回路およびハイブリッド作業機械を提供することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、請求項1の作業機械用液圧回路は、電動機で駆動される液圧ポンプに接続された液圧アクチュエータを制御するための作業機械用液圧回路において、前記液圧ポンプと前記液圧アクチュエータとの間に設けられた配管を通過する圧液の流量を制限する流量制限手段が設けられていることを特徴とするものである。
【0009】また、請求項4のハイブリッド作業機械は、エンジンで駆動される発電機の電力により蓄電手段に蓄電可能であるとともに、これら発電機および蓄電手段の少なくとも一方の電力により電動機を作動させるハイブリッド作業機械において、前記電動機によって駆動される液圧ポンプと、前記液圧ポンプによって作動される液圧アクチュエータと、前記液圧ポンプと前記液圧アクチュエータとの間に設けられた配管と、前記配管を通過する圧液の流量を制限する流量制限手段とを備えていることを特徴とするものである。
【0010】請求項1、4によると、液圧ポンプと液圧アクチュエータとの間に設けられた配管を通過する圧液の流量を制限する流量制限手段を設けたことにより、電動機の回転数を同じにしたときに液圧アクチュエータに供給される圧液量を従来よりも少なくすることができるようになる。そのために、液圧アクチュエータを非常に小さい速度で移動させることが可能となり、その液圧アクチュエータで駆動される動作部の微操作性が改善される。なお、流量制限手段としては、例えば流量調整弁が用いられてよい。
【0011】また、請求項2の作業機械用液圧回路は、前記流量制限手段が、前記液圧ポンプから前記液圧アクチュエータに圧液を供給する配管に設けられていることを特徴とするものであり、請求項5のハイブリッド作業機械は、前記流量制限手段が、前記液圧ポンプから前記液圧アクチュエータに圧液を供給する配管に設けられていることを特徴とするものである。
【0012】請求項2、5では、液圧ポンプから液圧アクチュエータに圧液を供給する配管に流量制御手段が設けられているので、液圧アクチュエータから液圧ポンプに圧液が戻る配管に流量制御手段が設けられている場合よりも応答性の高い優れた微操作性を得ることができる。
【0013】また、請求項3の作業機械用液圧回路は、前記流量制限手段が、前記配管内の圧力にかかわらず前記液圧アクチュエータに一定量の圧液を供給可能であることを特徴とするものであり、請求項6のハイブリッド作業機械は、前記流量制限手段が、前記配管内の圧力にかかわらず前記液圧アクチュエータに一定量の圧液を供給可能であることを特徴とするものである。
【0014】請求項3、6によると、流量制限手段が配管内の圧力にかかわらず液圧アクチュエータに一定量の圧液を供給可能であるので、液圧アクチュエータの負荷が増減しても液圧アクチュエータに一定量の圧液を供給することができるようになって、常に一定の微操作性をオペレータに与えることができるようになる。
【0015】また、請求項7の作業機械用液圧回路は、電動機と、前記電動機で駆動される液圧ポンプと、前記液圧ポンプから圧液が供給されて動作する液圧アクチュエータと、前記液圧ポンプと前記液圧アクチュエータとに接続されて液圧閉回路を形成する第1および第2の配管と、前記第1の配管が供給側配管となるときに前記第1の配管を通過する圧液の流量を制限する第1の流量制限手段、および、前記第2の配管が供給側配管となるときに前記第2の配管を通過する圧液の流量を制限する第2の流量制限手段と、前記第1および第2の流量制限手段を通過する圧液の流量を可変制御する制御手段とを備えていることを特徴とするものである。
【0016】請求項7によると、制御手段で第1および第2の流量制限手段を通過する圧液の流量を可変制御することにより、電動機の回転数を一定数よりも低くしなくとも液圧アクチュエータに供給される圧液量を非常に少なくすることができるようになる。そのために、液圧アクチュエータを非常に小さい速度で移動させることが可能となり、その液圧アクチュエータで駆動される動作部の微操作性が改善される。
【0017】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照して説明する。
【0018】図1は、本発明の第1の実施の形態に係るハイブリッド作業機械であるショベルの概略構成を示す模式図である。図1において、ショベル100は、下部走行体1と、上部旋回体2と、掘削アタッチメント3とから構成されている。
【0019】下部走行体1は、左右のクローラフレーム4およびクローラ5(いずれも片側のみ図示)と、クローラ5を回転駆動する左右の走行用電動機7(6)および走行減速機36(35)(図1には左側のみ示されている)とを有している。走行減速機36、35は、走行用電動機7、6の回転を減速して走行機構に伝える。
【0020】上部旋回体2は、旋回フレーム8、キャビン9などから成っている。旋回フレーム8には、動力源としてのエンジン10と、エンジン10によって駆動される発電機11と、主バッテリ12と、補助バッテリ42と、上部旋回体3を回転させるための旋回用電動機13と、旋回用電動機13の回転を減速して旋回機構(旋回歯車)に伝える旋回減速機14と、ブーム用電動機15と、ブーム用油圧ポンプ(以下、「ブームポンプ」という)16が設置されている。このほか、上部旋回体3内には、インバータ37やコントローラ43(ともに図2参照)などを含む制御部(図示せず)が設けられている。
【0021】掘削アタッチメント3は、ブーム17と、伸縮作動してブーム17を起伏させるブームシリンダ18と、アーム19と、アーム19を回動させるアームシリンダ20と、バケット21と、バケット21を回動させるバケットシリンダ22とを具備している。また、アームシリンダ20には、アーム用電動機23およびこれによって駆動されるアーム用油圧ポンプ(以下、「アームポンプ」という)24が取り付けられているとともに、バケットシリンダ22には、バケット用電動機25およびこれによって駆動されるバケット用油圧ポンプ(以下、「バケットポンプ」という)26が取り付けられている。本実施の形態において、アーム用電動機23とアームポンプ24とアームシリンダ20、および、バケット用電動機25とバケットポンプ26とバケットシリンダ22は、それぞれ一体化されたものが用いられている。
【0022】次に、ショベル100の駆動系について、図2に基づいて説明する。図2は、ショベル100の駆動系を概略的に示すブロック図である。図2に示すように、発電機11はエンジン10の出力軸に取り付けられている。また、発電機11は、エンジン10の出力トルクから交流電力を発生してインバータ37に供給する。発電機11に接続されたインバータ37は、発電機11で発生した交流電力を直流電力に変換してバッテリ12、42に蓄える通常充電作用、インバータ37に接続された電動機15、23、25、6、7、13の回生作用によって発生した交流電力を直流電力に変換してバッテリ32に蓄える回生充電作用の各作用を行なう。
【0023】また、インバータ37は、バッテリ12、42に蓄えられた電気エネルギーを交流に変換して電動機15、23、25、6、7、13に供給する放電作用、発電機11からの交流電力を電動機15、23、25、6、7、13に供給する供給作用の各作用を行なう。これら2つの作用を行う際、インバータ37は交流電流の周波数をコントローラ43からの命令にしたがって任意の値に変更することが可能であり、これによって電動機15、23、25、6、7、13の回転数を制御することができるようになっている。
【0024】インバータ37に接続された6つの電動機15、23、25、6、7、13のうち、ブーム用電動機15は、ブームポンプ16を作動させてブームシリンダ18を駆動し、アーム用電動機23は、アームポンプ24を作動させてアームシリンダ20を駆動し、パケット用電動機25は、パケットポンプ26を作動させてバケットシリンダ22を駆動する。旋回用電動機13および走行用電動機6、7はそれぞれ旋回減速機14および走行減速機35、36に連結されている。これら6つの電動機15、23、25、6、7、13は、オペレータによる操作レバー45の操作によって、それぞれのオンオフ、回転速度および回転方向が制御される。
【0025】電動機15、23、25、6、7、13は、これらへの合計負荷が小さいときには発電機11からインバータ37経由で供給される交流電力によって駆動される。このとき、発電機11で発電された交流電力の余剰分は、インバータ37において直流電力に変換されてバッテリ12、42に蓄えられる。なお、例えばショベル100の走行時のようにアームシリンダ20およびブームシリンダ18を使用しておらず、主バッテリ12の蓄電力が十分であり且つ電動機15、23、25、6、7、13への合計負荷が小さいときには、エンジン10の出力を低下させ或いはエンジン10を停止して主バッテリ12だけから電動機15、23、25、6、7、13に電力を供給するようにしてもよい。これによって、エンジン10を無駄に動作させるのを防止して騒音および排ガスを削減し、さらに燃料消費率を低減することができる。
【0026】一方、電動機15、23、25、6、7、13の合計負荷が所定値よりも大きくなると、発電機11で発電された交流電力のバッテリ12、42への蓄電は停止され、そして、電動機15、23、25、6、7、13の駆動エネルギーとして、発電機11から供給された電力だけではなく必要であれば主バッテリ12に蓄電された電力が併せて用いられる。
【0027】このように、インバータ37は電動機15、23、25、6、7、13の合計負荷が所定値よりも大きいかどうかでその動作が切り換えられ、この切り換えは電動機15、23、25、6、7、13を流れる電流とその電圧の積に基づいて或いは手動により制御部の制御により行われる。
【0028】また、運転中、電動機15、23、25、6、7、13をその位置エネルギーおよび運動エネルギーを利用して発電機として作用(回生作用)させ、これによって発生する回生電力をバッテリ12、42に蓄えることができる。特に、旋回用電動機13は旋回加速時に大きな運動エネルギーを蓄えることができるので減速時におけるエネルギーの回生効果が高い。
【0029】本実施の形態によるショベル100においては、ブームポンプ16とブームシリンダ18とを結ぶ圧油配管に関連して2つの流量制御弁46a、46bが設けられている。また、同様の流量制御弁47a、47bおよび48a、48bは、アームポンプ24とアームシリンダ20とを結ぶ圧油配管、および、バケットポンプ26とバケットシリンダ22とを結ぶ圧油配管と関連しても設けられている。これら流量制御弁46a、46b;47a、47b;48a、48bは、操作レバー45の操作によりコントローラ43によって圧油通過流量を制御可能とされている。
【0030】次に、本実施の形態のショベル100におけるブーム17の駆動系の詳細について図3に基づいて説明する。図3は、ブーム17に関連する駆動系を詳細に示した回路図であり、図1および図2と対応する部分には同じ符号が用いられている。なお、ここではブーム17について説明するがアーム19やバケット21についても同様の駆動系が構成されている。
【0031】図3において、ブームシリンダ18のキャップ側の作動室18aおよびヘッド側の作動室18bには、それぞれ配管49a、49bが接続されている。そして、配管49a、49bが両回転型のブームポンプ16と接続されることにより油圧閉回路が形成されている。
【0032】配管49a、49bとタンク53との間にはそれぞれチェック弁51a、51bが設けられており、配管49a、49b内が負圧になった場合にタンク53から配管49a、49b内に油が供給される。これにより、配管49a、49b内がキャビテーションを起こすのを防止している。また、配管49a、49bとタンク53との間にはリリーフ弁52a、52bが設けられている。これにより、配管49a、49b内の圧力が所定値を超えると油をタンク53に逃がすことができるので、配管49a、49b内の圧力上昇によって上記油圧閉回路が破損するのを防止している。
【0033】また、本実施の形態においては、配管49a、49bの途中に上述した流量制御弁46a、46bが設けられているとともに流量制御弁46a、46bと並列にチェック弁50a、50bが接続されている。流量制御弁46a、46bはブームポンプ16からブームシリンダ18に供給される圧油を通過させ、チェック弁50a、50bはブームシリンダ18からブームポンプ16に戻る圧油を通過させる。流量制御弁46a、46bは、コントローラ43からの制御によって開口面積が可変であるオリフィスなど公知のものであってよく、流量制御弁46a、46bによって通過を制限された分量の圧油はタンク53に戻されるように構成されている。
【0034】ブームシリンダ18が伸びる方向に操作レバー45が操作されると、コントローラ43およびインバータ37を介してブーム用電動機15が制御されて、配管49bがブームシリンダ18の作動室18aへの圧油の供給側配管となりかつ配管49aが作動室18bからの圧油の戻り側配管となるようにブームポンプ16が駆動され、ブームシリンダ18が図中右側に移動する。つまり、ブームポンプ16から供給される圧油は流量制御弁46bを経てブームシリンダ18に達し、さらにチェック弁50aを経てブームポンプ16に戻される。
【0035】このとき、ブーム17を微操作するには、操作レバー45を微操作領域にまで移動させる。すると、操作レバー45の操作量に応じてコントローラ43およびインバータ7を介してブーム用電動機15が制御され、その回転数が減少する。それとともに、コントローラ43を介して流量制御弁46bが制御されることにより、ブームシリンダ18に供給される圧油の流量が制限される。
【0036】そのため、図4に示すようにレバー操作量を流量制御可能な限界位置S1 にまで小さくしたときのブームポンプ16の吐出量(破線)がQ1 であるのに対して、流量制御弁46bの出口流量(実線)をQ2 にまで減少させることができる(つまり、Q1 −Q2 分が流量制御弁46bからタンク53に戻される)。従って、ブームシリンダ18に供給される圧油の流量もほぼQ2 程度にまで減少し、ブームシリンダ18への制御可能な最低流量をほぼQ1 −Q2 分だけ低下させることができるようになる。そのため、ブームシリンダ18を非常に小さい速度で移動させることが可能となり、ブームシリンダ18を伸ばす方向に関するブーム17の位置決めのための微操作性が改善される。
【0037】一方、ブームシリンダ18が縮む方向に操作レバー45が操作されると、コントローラ43およびインバータ37を介してブーム用電動機15が制御されて、配管49aがブームシリンダ18の作動室18bへの圧油の供給側配管となりかつ配管49bが作動室18aからの圧油の戻り側配管となるようにブームポンプ16が駆動され、ブームシリンダ18が図中左側に移動する。つまり、ブームポンプ16から供給される圧油は流量制御弁46aを経てブームシリンダ18に達し、さらにチェック弁50bを経てブームポンプ16に戻される。
【0038】このとき、ブーム17を微操作するには、操作レバー45を微操作領域にまで移動させる。すると、操作レバー45の操作量に応じてコントローラ43およびインバータ7を介してブーム用電動機15が制御され、その回転数が減少する。それとともに、コントローラ43を介して流量制御弁46aが制御されることにより、ブームシリンダ18に供給される圧油の流量が制限される。
【0039】そのため、図4で説明したのと同様に、ブームシリンダ18への制御可能な最低流量をほぼQ1 −Q2 分だけ低下させることができるようになって、ブームシリンダ18を非常に小さい速度で移動させることが可能となり、ブームシリンダ18を縮める方向に関するブーム17の位置決めのための微操作性が改善される。
【0040】このように、本実施の形態では、ブームポンプ16とブームシリンダ18とが配管49a、49bで接続された油圧閉回路において両方の配管49a、49bに流量制御弁46a、46bを設け、ブームシリンダ18に供給される圧油の流量を制限するようにしたので、ブームシリンダ18を伸ばす場合および縮める場合のいずれの場合についてもブームシリンダ18への制御可能な最低流量を低下させることができるようになり、良好なブーム17の微操作性が得られる。
【0041】なお、本実施の形態では、ブームシリンダ18への圧油供給側に流量制御弁46a、46bを設けてブームシリンダ18に対する圧油供給量を制限するようにしたが、ブームシリンダ18からの圧油排出側に流量制御弁46a、46bと同様の流量制御弁を設けてブームシリンダ18からの圧油排出量を制限するようにしても、ブームシリンダ18を非常に小さい速度で移動させることが可能となってブーム17の微操作性が改善される。しかしながら、本実施の形態のようにブームシリンダ18への圧油供給側に流量制御弁46a、46bを設けたほうが、応答性の高いより優れた微操作性を得ることができる。
【0042】また、本実施の形態で用いる流量制御弁46a、46bとしては、配管49a、49b内の圧力にかかわらずブームシリンダ18に一定量の圧液を供給可能である圧力補償付流量制御弁を用いることが好ましい。なぜなら、ブームシリンダ18の負荷が変動した場合に配管49a、49b内の圧力が変動することになるが、圧力補償付流量制御弁を用いれば配管49a、49b内の圧力変動にかかわらず一定の流量がブームシリンダ18に供給されるようになって、常に一定の微操作性をオペレータに与えることができるようになるからである。
【0043】以上、本実施の形態の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な設計変更を行うことが可能である。例えば、上述の実施の形態では、液圧ポンプから液圧アクチュエータに圧液を供給する配管に流量制御弁を設けたが、液圧ポンプから液圧アクチュエータに圧液を供給する配管に流量制限手段としてコントロールバルブを接続し、コントロールバルブからタンクに連通する流路を設けてもよい。
【0044】
【発明の効果】以上説明したように、請求項1、4によると、液圧アクチュエータを非常に小さい速度で移動させることが可能となり、その液圧アクチュエータで駆動される動作部の微操作性が改善される。
【0045】請求項2、5によると、液圧アクチュエータから液圧ポンプに圧液が戻る配管に流量制御手段が設けられている場合よりも応答性の高い優れた微操作性を得ることができる。
【0046】請求項3、6によると、液圧アクチュエータの負荷が増減しても液圧アクチュエータに一定量の圧液を供給することができるようになって、常に一定の微操作性をオペレータに与えることができるようになる。
【0047】請求項7によると、制御手段で第1および第2の流量制限手段を通過する圧液の流量を可変制御することにより、電動機の回転数を一定数よりも低くしなくとも液圧アクチュエータに供給される圧液量を非常に少なくすることができるようになる。そのために、液圧アクチュエータを非常に小さい速度で移動させることが可能となり、その液圧アクチュエータで駆動される動作部の微操作性が改善される。




 

 


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