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【発明の名称】 作業機械
【発明者】 【氏名】小見山 昌之
【住所又は居所】神戸市西区高塚台１丁目５番５号 株式会社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内

【氏名】吉松 英昭
【住所又は居所】神戸市西区高塚台１丁目５番５号 株式会社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内
【要約】 【課題】ハイブリッド駆動による省エネルギ運転と、発電機兼電動機のみによる排気ガスゼロ運転を作業状況に応じて使い分けることができること。

【解決手段】本油圧ショベルは、エンジン１０の出力軸にクラッチ１４を介して接続された油圧ポンプ１３と、この油圧ポンプ１０を経由して接続され、発電機動作又は電動機動作を行う発電機兼電動機１１と、これにより発電された電力を蓄えるバッテリ１２と、発電機兼電動機１１の動作状態に応じてクラッチ１４の断続制御を行う制御装置３１とを備えている。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 下部走行体上に上部旋回体が搭載され、この上部旋回体に作業用アタッチメントが設けられてなる作業機械において、原動機と、原動機の出力軸にクラッチを介して接続された回転軸を有し、下部走行体、上部旋回体及び作業用アタッチメントの少なくともいずれかを動かすための液圧アクチュエータを駆動する液圧ポンプと、液圧ポンプの回転軸に接続され、発電機動作又は電動機動作を行う発電機兼電動機と、発電機兼電動機に電気的に接続された蓄電装置と、制御装置とを備え、制御装置は、発電機兼電動機が原動機の出力と液圧ポンプの必要動力との関係に応じて発電機動作と電動機動作のうちのいずれかの動作を行うハイブリッドモードと、発電機兼電動機が電動機動作のみを行う電動機モードとを有し、モード切換操作により、ハイブリッドモードに切り換えられた場合には、クラッチを接続状態とするとともに、上記出力が上記必要動力よりも大きいときには、発電機兼電動機を発電機動作させて、この発電機兼電動機で発電された電力を蓄電装置に蓄えさせ、上記出力が上記必要動力よりも小さいときには、蓄電装置に蓄えられた電力を発電機兼電動機に供給して、この発電機兼電動機を電動機動作させ、かつ、電動機モードに切り換えられた場合には、クラッチを切断状態とするとともに、蓄電装置に蓄えられた電力を発電機兼電動機に供給して、発電機兼電動機を電動機動作させるように制御することを特徴とする作業機械。
【請求項２】 制御装置は、ハイブリッドモードにおいて、蓄電装置の蓄電量が設定値を超えたときに、電動機モードに切り換えるように制御することを特徴とする請求項１記載の作業機械。
【請求項３】 クラッチは、外力が作用するまでは接続状態とされ、外力が作用したときに切断状態とされるネガティブ作動型のクラッチであることを特徴とする請求項１又は２記載の作業機械。
【請求項４】 クラッチは、一方向にのみ回転を伝えるワンウエイクラッチであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の作業機械。
【請求項５】 下部走行体、上部旋回体及び作業用アタッチメントの少なくともいずれかを動かすための駆動用電動機を備え、この駆動用電動機に発電機兼電動機からの電力又は上記蓄電装置からの電力を供給するように構成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の作業機械。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、原動機と電動機とを動力源とするショベル、クローラクレーン、ホイールクレーン等の作業機械に係り、詳しくは油圧と電気とで動力伝達するハイブリッド作業機械に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、省エネルギの要請から、油圧ショベル等の作業機械の動力システムとして、原動機と発電機兼電動機とによるいわゆるハイブリッド作業機械が種々開発されている（実開平5-48501号公報、特開平9-224354号広報参照）。これらのハイブリッド作業機械は、いずれも原動機とこの原動機に直結した発電機兼電動機とを備えており、原動機の出力に余裕があるときには、原動機で発電機兼電動機を回転して発電させ、この発電された電力をバッテリに充電しておく。そして、原動機の出力が不足したときには、バッテリに蓄えておいた電力を発電機兼電動機に供給することで、原動機の出力の不足分を補うものである。したがって、原動機自体を小型化しても、非ハイブリッド機と同様の作業を行うことができた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、現在の油圧ショベルの作業現場は多様化しており、なかでも都市型ショベルと呼ばれる中小型機では、後端半径を車幅内に納めることにより後方を気にせず旋回できる後方小旋回型に移行し、狭所での機動性を有するようになった。このため、住宅街における下水工事等、一般住民や家屋の間近で作業を行うケースが増え、排気ガスによる住民や植木等への影響が大きくなった。さらに、トンネル内での作業、屋内に入っての解体作業等、排気ガスが充満するような現場もあり、その排気ガスの処理に換気用のファンを設置するなどの配慮が必要になっている。かかる状況下、ハイブリッド作業機械は、非ハイブリッド機と比べると排気ガス量を少なくすることができるが、排気ガスを完全になくすことはできない。
【０００４】なお、特開平9-278371号公報に開示された技術では、原動機と発電機とによるハイブリッド作業機械の構成をとっているが、この発電機への電力供給はバッテリ又は外部電源からとられている。このバッテリ駆動の場合には、排気ガスは全くなくなるものの、バッテリの放電可能時間によってその稼働時間が制約される。また、外部電源駆動の場合には、電気コードによってその行動範囲が制約される。これらの制約から、実際に、バッテリ駆動等の作業機械を上記原動機と発電機兼電動機とによるハイブリッド作業機械に代替することは困難であった。
【０００５】本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ハイブリッド駆動による省エネルギ運転と、発電機兼電動機のみによる排気ガスゼロ運転とを作業状況に応じて使い分けできる作業機械を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、下部走行体上に上部旋回体が搭載され、この上部旋回体に作業用アタッチメントが設けられてなる作業機械において、原動機と、原動機の出力軸にクラッチを介して接続された回転軸を有し、下部走行体、上部旋回体及び作業用アタッチメントの少なくともいずれかを動かすための液圧アクチュエータを駆動する液圧ポンプと、液圧ポンプの回転軸に接続され、発電機動作又は電動機動作を行う発電機兼電動機と、発電機兼電動機に電気的に接続された蓄電装置と、制御装置とを備え、制御装置は、発電機兼電動機が原動機の出力と液圧ポンプの必要動力との関係に応じて発電機動作と電動機動作のうちのいずれかの動作を行うハイブリッドモードと、発電機兼電動機が電動機動作のみを行う電動機モードとを有し、モード切換操作により、ハイブリッドモードに切り換えられた場合には、クラッチを接続状態とするとともに、上記出力が上記必要動力よりも大きいときには、発電機兼電動機を発電機動作させて、この発電機兼電動機で発電された電力を蓄電装置に蓄えさせ、上記出力が上記必要動力よりも小さいときには、蓄電装置に蓄えられた電力を発電機兼電動機に供給して、この発電機兼電動機を電動機動作させ、かつ、電動機モードに切り換えられた場合には、クラッチを切断状態とするとともに、蓄電装置に蓄えられた電力を発電機兼電動機に供給して、発電機兼電動機を電動機動作させるように制御することを特徴とするものである。
【０００７】上記構成によれば、原動機と液圧ポンプとの間にクラッチが介在され、モード切換操作により、ハイブリッドモードに切り換えられた場合には、このクラッチが接続状態とされるとともに、原動機の出力が液圧ポンプの必要動力よりも大きいときには、液圧ポンプ経由で伝達される原動機の回転力により該発電機兼電動機で発電されて、この発電電力が蓄電装置に蓄えられ、原動機の出力が液圧ポンプの必要動力よりも小さいときには、蓄電装置に蓄えられた電力が発電機兼電動機に供給されて、上記原動機の回転力に加えて、この発電機兼電動機で液圧ポンプがアシスト駆動されるので、原動機と発電機兼電動機とのハイブリッド駆動で省エネルギ運転がなされる（以下、ハイブリッド運転という）。
【０００８】一方、モード切換操作により、電動機モードに切り換えられた場合には、上記クラッチが切断状態とされ、蓄電装置に蓄えられた電力が発電機兼電動機に供給されて、この発電機兼電動機のみで液圧ポンプが駆動される（以下、電動機運転という）。この電動機運転では、原動機が停止されると排気ガスが全くでなくなるので、トンネル内の工事や地下鉄工事等、閉鎖空間での使用に便宜である。また、低騒音であるので、住宅地や病院付近等での使用に便宜でもある。
【０００９】さらに、自走式であるので、作業機械をトンネルから外に出したり、住宅地から離せば、それ自身の原動機で発電機兼電動機を駆動して蓄電装置に充電される。この充電が終了すれば、上記電動機運転が可能となる。
【００１０】ところで、ハイブリッドモードにおいて、軽負荷作業が長時間継続すると、発電機兼電動機が発電機動作する状態が多くなり、蓄電装置への蓄電（充電）が進む。蓄電装置は、最大充電量（満充電）に近づくと、最大入力電力が低下してくる。原動機が定格出力を行った場合に液圧ポンプへの動力供給を行った後の余剰動力が蓄電装置に充電できなくなると、原動機は出力を落とさざるを得なくなる。原動機は定格出力付近が最も効率がよく、原動機の出力変動をさせることは、作業機械のシステム全体として効率低下につながる。そこで、請求項２記載の発明のように、制御装置は、ハイブリッドモードにおいて、蓄電装置の蓄電量が設定値を超えたときに、電動機モードに切り換えるように制御することとすれば、例えば蓄電装置が満充電状態の場合には、電動機モードに一時的に切り換えられ、クラッチが切断されて、原動機が停止され、液圧ポンプが蓄電装置のみによって駆動されるように切り換えられ、蓄電装置の蓄電量が減少すると、再度ハイブリッドモードに戻されることにより、原動機の出力変動を抑えて、その効率を低下させることがなくなるので、作業機械のシステム全体の高効率化が図られる。
【００１１】請求項３記載の発明のように、クラッチは、外力が作用するまでは接続状態とされ、外力が作用したときに切断状態とされるネガティブ作動型のクラッチであることとすれば、ハイブリッド運転の場合には、クラッチの接続に動力を必要とせず、さらなる省エネルギ化が図られるようになる。
【００１２】請求項４記載の発明のように、クラッチは、一方向にのみ回転を伝えるワンウエイクラッチであることとすれば、ハイブリッド運転の場合には、クラッチが接続状態となり、原動機を停止して発電機兼電動機で油圧ポンプを駆動する際にはその駆動力が原動機に伝達されないので、クラッチの接続や切断の操作にも動力も切換操作も不要となる。したがって、さらなる省エネルギ化が図られるとともに、操作がより簡単化される。
【００１３】請求項５記載の発明のように、下部走行体、上部旋回体及び作業用アタッチメントの少なくともいずれかを動かすための駆動用電動機を備え、この駆動用電動機に発電機兼電動機からの電力又は上記蓄電装置からの電力を供給するように構成したこととすれば、例えば旋回動作を直接電動機で駆動したり、ブームシリンダを電動機駆動の油圧ポンプで駆動することで、より一層の省エネルギ化が図られるとともに、作業機械の駆動方法が多様化される。
【００１４】
【発明の実施の形態】（実施形態１）図１はクローラ式油圧ショベルの全体構成を示す図であって、作業機械の一例としての油圧ショベルの車体は、下部走行体１と、上部旋回体２とより構成されており、この上部旋回体２の前部には掘削用アタッチメント（作業用アタッチメント）３が起伏自在に装着されている。
【００１５】下部走行体１は、左右のクローラフレーム４及びクローラ（いずれも片側のみ図示）５からなり、両側クローラ５が、左右の走行用油圧モータ７により個別に回転駆動されて走行する。
【００１６】上部旋回体２は、旋回フレーム８、キャビン９等からなり、旋回フレーム８に、原動機としてのエンジン１０と、このエンジン１０によって油圧ポンプ１３経由で駆動される発電機兼電動機１１と、蓄電装置としてのバッテリ１２等が設置されている。
【００１７】掘削用アタッチメント３は、ブーム１７、上記油圧ポンプ１３からの圧油により伸縮動作してブーム１７を起伏させるブームシリンダ１８と、アーム１９と、このアーム１９を回動させるアームシリンダ２０と、バケット２１と、このバケット２１を回動させるバケットシリンダ２２とを具備している。
【００１８】図２は本発明の実施形態１に係るクローラ式油圧ショベルの駆動系及び制御系を示すブロック図であるが、本図は後述する実施形態２と共通のものであるため、実施形態２のみにおける構成要素（符号３１ｈ）をも含んでいる。なお、同図中、実線は油圧系統、破線は電気系統を示している。
【００１９】ここでは、エンジン１０の出力軸にクラッチ１４を介して各油圧アクチュエータ（旋回及び左右走行用油圧モータ６，７、ブーム、アーム、バケット各シリンダ１８，２０，２２）を駆動する油圧ポンプ１３の回転軸が接続されており、さらにこの油圧ポンプ１３の回転軸に発電機兼電動機１１が接続されている。
【００２０】クラッチ１４は、その制御装置（後述）とともに本発明の特徴をなすもので、このクラッチ１４の接続状態を維持する場合には外部からの動力又は人力を必要とせず、切断状態とする場合にのみ外部からの動力又は人力を必要とするネガティブ作動型のクラッチ、例えばバネの力によってクラッチが接続し、油圧によって切断する方式である。或いは、一方向にのみ回転を伝えるワンウエイクラッチである。したがって、クラッチ１４の接続操作においては動力又は人力が不要であるので、その分だけ省エネルギが図られる。さらに、上記ワンウエイクラッチの場合には、接続と切断の操作自体も不要となり、操作がより簡単化される。
【００２１】発電機兼電動機１１は、発電機動作又は電動機動作を行うものであって、クラッチ１４を切断状態としてこの発電機兼電動機１１のみで油圧ポンプ１３を駆動可能な出力（トルク）を発生できるものである。
【００２２】発電機兼電動機１１とバッテリ１２との間には制御装置３１を電気的に介在させているが、この制御装置３１は、オペレータによる操作が可能なモード切換スイッチ３０ａを備えており、発電機兼電動機１１がエンジン１０の出力と油圧ポンプ１３の必要動力との関係に応じて発電機動作と電動機動作のいずれかの動作を行うハイブリッドモードと、発電機兼電動機１１が電動機動作のみを行う電動機モードとを記憶するメモリ３１ａと、上記モード切換スイッチ３０ａの操作内容を判断する判断回路３１ｂと、この判断回路３１ｂでモード切換スイッチ３０ａの操作によってハイブリッドモードへ切り換えられたと判断された場合には、切断指令信号を発することなくクラッチ１４の接続状態を維持するとともに、エンジン１０を定格出力で稼働させ、後述する比較回路３１ｆによる比較結果に応じて発電機兼電動機１１の回転により発電された電力をバッテリ１２に充電するか、或いは、バッテリ１２に蓄えられた電力を発電機兼電動機１１に供給してこの発電機兼電動機１１を回転させ、かつ、モード切換スイッチ３０ａの操作によって電動機モードに切り換えられたと判断した場合には、切断指令信号を発することによりクラッチ１４を切断状態するとともに、エンジン１０を停止（ゼロ出力）させ、バッテリ１２に蓄えられた電力を発電機兼電動機１１に供給してこの発電機兼電動機１１を回転させるように、上記発電機兼電動機１１の動作切換を行う動作切換回路３１ｃとを備えている。なお、モード切換スイッチ３０ａは終了動作を行うための終了モードをも操作可能であり、判断回路３１ｂがモード切換スイッチ３０ａの操作によって終了モードに切り換えられたと判断された場合には、動作切換回路３１ｃは終了動作を行うようになっている。
【００２３】また、油圧ポンプ１３は、エンジン１０の出力よりも大きい最大動力を有し、その必要動力を検出するために油圧ポンプ１３の吐出圧を検出する圧力センサ３０ｂを備えており、エンジン１０は、その出力（トルク）を検出するためにエンジン１０の回転数を検出する回転計３０ｃを備えている。
【００２４】さらに、上記制御装置３１は、回転計３０ｃの検出値からエンジン１０の出力を計算する出力計算回路３１ｄと、圧力センサ３０ｂの検出値から油圧ポンプ１３の必要動力を計算する必要動力計算回路３１ｅと、両回路３１ｄ，３１ｅによる計算値を差分してその正負を判断する比較回路３１ｆと、比較回路３１ｆで上記差分が負、つまり、油圧ポンプ１３の必要動力がエンジンの出力よりも大きいと判断した場合には、発電機兼電動機１１を電動機動作させ、上記差分に相当する電力分だけバッテリ１２から電力供給して油圧ポンプ１３をアシスト駆動し、上記差分が正、つまり、油圧ポンプ１３の必要動力がエンジン１０の出力よりも小さいと判断した場合には、発電機兼電動機１１を発電機動作させ、上記差分に相当する電力分だけ発電し、この発電電力をバッテリ１２に充電するように発電機兼電動機１１の入出力電力を制御する入出力制御回路３１ｇとを備えている。
【００２５】油圧ポンプ１３からの圧油は、各油圧アクチュエータ６，７，…ごとに設けられたコントロールバルブ（ここでは一括して図示している。）３２を介して各油圧アクチュエータ６，７，…に供給され、このコントロールバルブ３２によって各油圧アクチュエータ６，７，…の作動速度、トルク、作動方向が制御されるようになっている。３３は油圧ポンプ１３によって吸入され、コントロールバルブ３２から排出される作動油を貯留するためのタンクである。
【００２６】なお、上記制御装置３１の各回路３１ｂ〜３１ｇは、ハードウエアでもソフトウエアでも構成できる。例えば、図示しないＲＯＭに記憶しておいたコンピュータプログラムを、図示しないＣＰＵに適宜読み出して実行させることで具現化することができる。
【００２７】図３は本実施形態１の動作のフローチャートである。以下、同図を参照しつつ、本実施形態１の動作をハイブリッド運転と電動機運転とに分けて説明する。
【００２８】（ハイブリッド運転）オペレータがモード切換スイッチ３０ａをハイブリッドモードに切換操作すると（ステップＳ１）、ハイブリッド運転が開始されるが、このとき制御装置３１の判断回路３１ｂは、まずメモリ３１ａの記憶内容を参照し、ハイブリッドモードと電動機モードのいずれが入力されたか、或いは、終了モードが入力されたかを判断する（ステップＳ２）。そして、ハイブリッドモードが入力されたと判断した場合には、動作切換回路３１ｃから切断指令信号が発せられることがないので、クラッチ１４は接続状態を維持する（ステップＳ３）。この場合、エンジン１０が稼働され、これにより油圧ポンプ１３が駆動されるとともに、発電機兼電動機１１が駆動される。
【００２９】すると、油圧ポンプ１３はタンク３３から作動油を吸引してコントロールバルブ３２を経由して各油圧アクチュエータ６，７，…に圧油として供給し、この圧油によって各油圧アクチュエータ６，７，…を作動させる。各油圧アクチュエータ６，７，…の作動によって、各ショベル動作（掘削、走行、旋回）が行われる。各油圧アクチュエータ６，７，…からの戻り油はコントロールバルブ３２からタンク３３に戻る。
【００３０】そして、圧力センサ３０ｂは油圧ポンプ１３の吐出圧を検出し（ステップＳ５）、この検出値から油圧ポンプ１３の必要動力が必要動力計算回路３１ｅで計算され（ステップＳ６）。同時に、回転計３０ｃはエンジン１０の回転数を検出し（ステップＳ７）、この検出値からエンジン１０の出力が出力計算回路３１ｄで計算される（ステップＳ８）。これらの計算結果の差分を比較回路３１ｆで求めてその正負を比較し（ステップＳ９，Ｓ１０）、上記差分が正であれば、油圧ポンプ１３がエンジン１０の定格出力以下の負荷で運転されていると判断する（ステップＳ１０でＹＥＳ）。この判断結果に従って、入出力制御回路３１ｇは、発電機兼電動機１１を発電機として動作させ、発生した交流電力（上記差分に相当）を図示しない電力変換器で直流に変換してバッテリ１２に充電する（ステップＳ１１）。
【００３１】一方、比較回路３１ｆは、上記差分が負であれば、油圧ポンプ１３がエンジン１０の定格出力を超える負荷を要求していると判断する（ステップＳ１０でＮＯ）。この判断結果に従って、入出力制御回路３１ｇは、発電機兼電動機１１を電動機に切り換えて動作させ、上記定格出力を超える負荷を補うようにするが、そのための電力（上記差分に相当）はバッテリ１２の蓄電エネルギで賄う（ステップＳ１２）。
【００３２】そして、上記ステップＳ１の直前に戻り、ステップＳ２で電動機モードが入力されたと判断されたときは下記発電機運転に入り、また終了モードが入力されたと判断されたときは終了動作するが、それまでは、各ステップＳ１〜Ｓ３，Ｓ５〜Ｓ１２を繰り返す。
【００３３】このようにして、ハイブリッド運転では、エンジン１０を定格出力付近の高出力で安定して使用できるため、エンジン１０は常にその効率のよい領域で使用できる。
【００３４】（電動機運転）オペレータがモード切換スイッチ３０ａを電動機モードに切換操作すると（ステップＳ１）、電動機運転が開始されるが、このとき制御装置３１の判断回路３１ｂは、まずメモリ３１ａの記憶内容を参照し、ハイブリッドモードと電動機モードのいずれが入力されたか、或いは、終了モードが入力されたかを判断する（ステップＳ２）。そして、電動機モードが入力されたと判断した場合には、制御装置３１の動作切換回路３１ｃからの切断指令信号が発せられ、これによりクラッチ１４は切断状態とされ、エンジン１０は停止される（ステップＳ４）。この場合、動作切換回路３１ｃは、発電機兼電動機１１を電動機として動作させるが、そのための電力はバッテリ１２の蓄電エネルギで賄う（ステップＳ１２）。
【００３５】そして、上記ステップＳ１の直前に戻り、ステップＳ２でハイブリッドモードが入力されたと判断されたときは上記ハイブリッド運転に入り、また終了モードが入力されたと判断されたときは終了動作するが、それまでは、各ステップＳ１，Ｓ２，Ｓ４，Ｓ１２を繰り返す。
【００３６】このようにして、電動機運転では、発電機兼電動機１１のみによって油圧ポンプ１３を駆動させ、油圧系統を上記と全く同様に動作させるので、これにより各ショベル動作（掘削、走行、旋回）が行われ、十分な作業能力を発揮させることができる。
【００３７】以上説明したように、本実施形態１では、エンジン１０と油圧ポンプ１３との間の接続状態を維持又は切断可能なクラッチ１４を介在させたので、クラッチ１４で上記接続状態を維持することでエンジン１０と発電機兼電動機１１とのハイブリッド運転で省エネルギ運転が可能となるとともに、クラッチ１４で上記接続状態を切断することで発電機兼電動機１１のみによって油圧ポンプ１３を駆動する電動機運転が可能となる。この電動機運転では、エンジン１０を停止しているので、排気ガスが全くでなくなり、トンネル内の工事や地下鉄工事等、閉鎖空間での使用に便宜である。また、低騒音であるので、住宅地や病院付近等での使用に便宜でもある。
【００３８】さらに、本実施形態１の油圧ショベルは自走式であるので、油圧ショベルをトンネルから外に出したり、住宅地から離せば、それ自身のエンジン１０で発電機兼電動機１１を駆動してバッテリ１２に充電することができる。この充電が終了すれば、上記電動機運転が可能となる。
【００３９】（実施形態２）ところで、ハイブリッドモードにおいて、軽負荷作業が長時間継続すると、発電機兼電動機１１が発電機動作する状態が多くなり、バッテリ１２への充電が進む。バッテリ１２は、満充電に近づくと、最大入力電力が低下してくる。エンジン１０が定格出力を行った場合に油圧ポンプ１３への動力供給を行った後の余剰動力がバッテリ１２に充電できなくなると、エンジン１０は出力を落とさざるを得なくなる。エンジン１０は定格出力付近が最も効率がよく、エンジン１０の出力変動をさせることは、油圧ショベルのシステム全体として効率低下につながる。
【００４０】そこで、本実施形態２では、制御装置３１は、ハイブリッドモードにおいて、バッテリ１２の蓄電量（充電量）が設定値（しきい値）を超えたときに、電動機モードに切り換えるように制御するモード切換回路３１ｈを付加することとした（図１参照）。なお、上記モード切換回路３１ｈは、上記実施形態１の各回路３１ｂ〜３１ｇと同様に、ハードウエアでもソフトウエアでも構成できる。バッテリ１２の充電量は、制御装置３１にもともと備わっているバッテリ１２との接続端子における端子電圧と入出力電流との積を累積的に加算することによって検出できる。電圧センサ、電流センサは図示しない。その他の構成は上記実施形態１と同様である。
【００４１】図４は本実施形態２の動作のフローチャートである。以下、同図を参照しつつ、本実施形態２の動作をハイブリッド運転と電動機運転とに分けて説明する。なお、ここでは、バッテリ１２の充電量のしきい値として、所定値１，２の２種類が用意されているが、所定値１＜所定値２であるものとする。また、最初のループを認識するためのＦＬＡＧ１と、上記所定値１，２のいずれを適用するかを判断するためのＦＬＡＧ２とがそれぞれ設定される。
【００４２】（ハイブリッド運転）電源投入により、初期値としてＦＬＡＧ１＝ＯＦＦ、ＦＬＡＧ２＝ＯＦＦが設定される（ステップＳ３０）。オペレータがモード切換スイッチ３０ａをハイブリッドモードに切換操作すると（ステップＳ３１）、ハイブリッド運転が開始されるが、このとき制御装置３１の判断回路３１ｂは、まずメモリ３１ａの記憶内容を参照し、ハイブリッドモードと電動機モードのいずれが入力されたか、或いは、終了モードが入力されたかを判断する（ステップＳ３２）。ここでは、ハイブリッドモードが入力されたと判断される。
【００４３】ついで、モード切換回路３１ｈは、ＦＬＡＧ２がＯＮか否かを判断するが（ステップＳ３３）、初期設定のまま（ＦＬＡＧ２＝ＯＦＦ）であるので、バッテリ１２の充電量（バッテリ容量）が所定値２よりも小さいか否かが判断される（ステップＳ３４）。そして、バッテリ１２の充電量が所定値２よりも大きいと判断された場合には（ステップＳ３４でＮＯ）、動作切換回路３１ｃから切断指令信号が発せられ、クラッチ１４が切断される。エンジン１０は停止のままである（ステップＳ３６）。ついで、ＦＬＡＧ１＝ＯＮか否かが判断されるが（ステップＳ３７）、最初のループ（ＦＬＡＧ１＝ＯＦＦ）であるので、ステップＳ３８に進み、ここでＦＬＡＧ１＝ＯＮとされる。そして、発電機兼電動機１１が電動機として駆動され（ステップＳ４９）、上記ステップＳ３１の直前に戻る。
【００４４】ついで、ステップＳ３１〜Ｓ３４，Ｓ３６を繰り返すと、今回はステップＳ３７でＦＬＡＧ１＝ＯＮと判断されるので、ＦＬＡＧ２＝ＯＮとされる（ステップＳ３９）。その後は、上記実施形態１のステップＳ５〜Ｓ１２と同様のステップを実行する（ステップＳ４２〜Ｓ４９）。
【００４５】再びステップＳ３１，Ｓ３２を経由してステップＳ３３に戻ると、今回はＦＬＡＧ２＝ＯＮであるので、バッテリ１２の充電量（バッテリ容量）が所定値１よりも小さいか否かが判断される（ステップＳ３５）。
【００４６】ここで、バッテリ１２の充電量が所定値１よりも大きいと判断された場合には（ステップＳ３５でＮＯ）、動作切換回路３１ｃから切断指令信号が発せられ、クラッチ１４が切断されたままで、かつエンジン１０が停止されたまま（ステップＳ３６）、上記ステップＳ３７，Ｓ３９，Ｓ４２〜４９が実行される。
【００４７】一方、ステップＳ３５においてバッテリ１２の充電量が所定値１よりも小さいと判断された場合には（ステップＳ３５でＹＥＳ）、動作切換回路３１ｃから切断指令信号が発せられないので、クラッチ１４は接続状態とされるとともに、エンジン１０が稼働され（ステップＳ４０）、ＦＬＡＧ２＝ＯＦＦに維持されたまま、ＦＬＡＧ１＝ＯＮとされる（ステップＳ４１）。
【００４８】そして、上記ステップＳ４２〜Ｓ４９が実行され、上記ステップＳ３１の直前に戻り、ステップＳ３２で電動機モードが入力されたと判断されたときは下記電動機運転に入り、また終了モードが入力されたと判断されたときは終了動作するが、それまでは、各ステップＳ３１〜Ｓ４９を繰り返す。
【００４９】一方、上記ステップＳ３４においてバッテリ１２の充電量が所定値２よりも小さいと判断された場合には（ステップＳ３４でＹＥＳ）、動作切換回路３１ｃから切断指令信号が発せらないので、クラッチ１４は接続状態とされるとともに、エンジン１０が稼働され（ステップＳ４０）、ＦＬＡＧ２＝ＯＦＦに維持されたまま、ＦＬＡＧ１＝ＯＮとされる（ステップＳ４１）。その後は、上記ステップＳ４２〜Ｓ４９を実行する。
【００５０】なお、最初のループでＦＬＡＧ１＝ＯＦＦと設定したのは、上記ステップＳ３４又はＳ３５でハイブリッドモードから発電機モードに切り換わった場合、最初のループであれば、最初のループで発電機モードが入力された場合（後述）と同様に、まだエンジン１０が停止されたままであり、油圧ポンプ１３が駆動されておらず、回路に油圧がたっていないことから、ステップＳ４２〜Ｓ４７をバイパスさせて直接発電機兼電動機１１で電動機動作を行わせるようにするためである。
【００５１】そして、ステップＳ３９でＦＬＡＧ１＝ＯＮとしたのは、発電機モードでの次のループでは、発電機兼電動機１１によって油圧ポンプ１３が駆動されているので、回路に油圧がたっており、ステップＳ４２〜Ｓ４７を経由させることができるからである。
【００５２】また、ステップＳ４１でＦＬＡＧ１＝ＯＮとしたのは、ハイブリッドモードでは、最初のループにおいても、エンジン１０によって油圧ポンプ１３が駆動されているので、回路に油圧がたっており、ステップＳ４２〜Ｓ４７を経由させることができるからである。ただし、ステップＳ４１でＦＬＡＧ１＝ＯＦＦとしてもよく、その場合にはステップＳ３８でＦＬＡＧ１＝ＯＮとされる。
【００５３】（電動機運転）電源投入により、初期値としてＦＬＡＧ１＝ＯＦＦ、ＦＬＡＧ２＝ＯＦＦが設定される（ステップＳ３０）。オペレータがモード切換スイッチ３０ａを電動機モードに切換操作すると（ステップＳ３１）、電動機運転が開始されるが、このとき制御装置３１の判断回路３１ｂは、まずメモリ３１ａの記憶内容を参照し、ハイブリッドモードと電動機モードのいずれが入力されたか、或いは、終了モードが入力されたかを判断する（ステップＳ３２）。ここで、電動機モードが入力されたと判断した場合には、制御装置３１の動作切換回路３１ｃからの切断指令信号が発せられ、これによりクラッチ１４は切断状態とされるが、エンジン１０は停止されたまま（ステップＳ３６）、最初のループ（ステップＳ３７，Ｓ３８，Ｓ４９）が実行される。
【００５４】そして、ステップＳ３１に戻り、ステップＳ３２でハイブリッドモードが入力されたと判断されたときは上記ハイブリッド運転に入り、また終了モードが入力されたと判断されたときは終了動作するが、それまでは、各ステップＳ３１，Ｓ３２，Ｓ３６，Ｓ３７，Ｓ３９〜Ｓ４９を繰り返す。
【００５５】以上のように、本実施形態２によれば、クラッチ１４を切断中（エンジン１０停止、ＦＬＡＧ２＝ＯＮ）では、モード切換回路３１ｈは、バッテリ１２の充電量と所定値１との大小比較を行い、クラッチ１４の接続中（エンジン１０稼働中、ＦＬＡＧ２＝ＯＦＦ）では、モード切換回路３１ｈは、バッテリ１２の充電量と所定値２との大小比較を行う。これにより、バッテリ１２の充電量の判断におけるヒステリシス機能が備わる。そして、モード切換回路３１ｈの比較結果に応じて、動作切換回路３１が動作し、バッテリ１２の充電量が小さい場合には、クラッチ１４を接続状態とし、大きい場合にはクラッチ１４を切断状態とする。
【００５６】したがって、ハイブリッドモードでの運転中に、例えばバッテリ１２が満充電状態の場合には、このモード切換回路３１ｈにより強制的に電動機モードに切り換えられ、動作切換回路３１ｃによりクラッチ１４が切断されて、エンジン１０が停止され、油圧ポンプ１３がバッテリ１２のみによって駆動されるように切り換えられ、バッテリ１２の充電量が減少すると、再度ハイブリッドモードに戻されることにより、エンジン１０の出力変動を抑えて、その効率を低下させることがなくなるので、油圧ショベルのシステム全体の高効率化が図られる。
【００５７】（実施形態３）図５は本発明の実施形態３に係るクローラ式油圧ショベルの駆動系及び制御系を示すブロック図である。なお、同図中、実線は油圧系統、破線は電気系統を示している。以下、主に上記実施形態１，２と異なる要素について説明し、重複説明を極力なくすものとする。
【００５８】ここでも、エンジン１０の出力軸に、上記実施形態１と同様のクラッチ１４を介して各油圧アクチュエータ（旋回及び左右走行用油圧モータ６，７、ブーム、アーム、バケット各シリンダ１８，２０，２２）を駆動する油圧ポンプ１３の回転軸が接続されており、さらにこの油圧ポンプ１３の回転軸に発電機兼電動機１１が接続されている。
【００５９】しかし、本実施形態３では、上記実施形態１，２とは異なり、駆動用電動機の一例としての、旋回駆動用の旋回電動機４０と、旋回電動機４０の回転を減速する旋回減速機４１と、旋回電動機用制御装置４２とを備えている。そして、バッテリ１２の蓄電エネルギにより旋回電動機４０を駆動することで、この旋回電動機４０の出力軸に接続された旋回減速機４１を介して上部旋回体２（図１参照）を旋回動作させるようにしている。
【００６０】この場合、上部旋回体２の旋回駆動に際して、一旦油圧エネルギに変換する必要がないため、介在する機器が少なくなり、その分だけエネルギの損失も少なくなる。また、旋回電動機用制御装置４１により、制動時に旋回電動機４０を回生作動させることで、運動エネルギを電力に変換してバッテリ１２に蓄積することができる。この回生作動により、一層の省エネルギを図ることができる。
【００６１】また、本実施形態３では、上記実施形態１，２とは異なり、駆動用電動機の他の例としての、ブーム駆動用のブーム電動機４５と、ブーム駆動用シリンダ１８にのみ圧油を供給するブーム用油圧ポンプ４６と、ブーム電動機用制御装置４７とを備えている。そして、バッテリ１２の蓄電エネルギによりブーム電動機４５を駆動することで、このブーム電動機４５の出力軸に接続されたブーム油圧ポンプ４６を駆動し、ブーム駆動用シリンダ１８を伸縮動作させるようにしている。
【００６２】この場合、ブーム駆動用シリンダ１８の伸縮駆動に際して、一旦油圧エネルギに変換しているが、その電動機がブーム専用であるため、回転方向、回転速度を図示しないブーム用操作レバーの操作量、負荷に応じて制御することで必要な動力だけをブーム電動機４５から出力することができる。したがって、微操作時等に余分なエネルギを発生させなくてもよくなり、その分だけエネルギの損失も少なくなる。
【００６３】また、ブーム下げ時あるいは制動時には、ブーム用油圧ポンプ４６は油圧モータとして作動し、ブーム電動機４５を回転させるので、ブーム電動機用制御装置４７は、このときブーム電動機４５を発電機として回生作動させることで、運動エネルギを電力に変換してバッテリ１２に蓄積することができる。この回生作動により、一層の省エネルギ化を図ることができる。
【００６４】以上説明したように、本実施形態３では、旋回電動機４０やブーム電動機４５を備え、これらに発電機兼電動機１１からの電力又はバッテリ１２からの電力を供給することで、より一層の省エネルギ化を図るとともに、油圧ショベルの駆動方法を多様化させることができる。
【００６５】なお、上記実施形態１〜３では、作動液として圧油を使用し、これに対応して液圧ポンプとして油圧ポンプ１３を使用し、液圧アクチュエータとして油圧アクチュエータを使用しているが、作動液としてその他の液体、例えば水等を使用することもできる。
【００６６】また、上記実施形態１，２では、制御装置３１の判断回路３１ｂにより、ハイブリッドモードか電動機モードかの判断に加えて、終了動作を行うための終了モードをも判断させているが、この終了動作は別途設けたスイッチ等により行うようにしてもよい。また、上記実施形態１，２では、比較回路３１ｆにより行う、エンジン１０の出力と油圧ポンプ１３の必要動力との差分の正負判断から、入出力制御回路３１ｇにより、発電機兼電動機１１が発電機動作、或いは、電動機動作を行うように制御しているが、エンジン１０の出力が所定の設定回転数から高速側にあるのか、或いは、低速側にあるのかを判断し、エンジン１０の速度が所定値に近づくように発電機兼電動機１１の制御を行うこととしてもよい。
【００６７】また、上記実施形態２では、バッテリ１２の充電量のしきい値を２個として、ヒステリシスを設けたが、ヒステリシスを特に必要としないときは、しきい値は１つであってもよい。
【００６８】また、上記実施形態１〜３では、エンジン１０、クラッチ１４、油圧ポンプ１３及び発電機兼電動機１１の順に連結してタンデム配置としているが、必ずしもこのような配置とする必要はなく、例えば図６に示すように、油圧ポンプを複数化してエンジン１０、クラッチ１４、発電機兼電動機１１及び油圧ポンプ１３，１３の順に連結してタンデム配置したり、図７に示すように、パワーディバイダ５０を用いて発電機兼電動機１１及び油圧ポンプ１３，１３をパラレル配置としてもよい。また、クラッチ１４を複数化すれば、さらに多様な配置とすることができる。
【００６９】また、上記実施形態１〜３では、原動機としてエンジン１０を用いたが、この代わりにガスタービンを用いてもよい。また、蓄電装置としてバッテリ１２の代わりに電気２重層コンデンサ（商品名ウルトラキャパシタ）を用いたり、或いは、これとバッテリとを併用することとしてもよい。
【００７０】また、上記実施形態１〜３では、クラッチ１４を切断する際にのみ動力等を加えるネガティブ作動型のワンウエイクラッチとしているが、場合によっては、この逆にクラッチ１４を接続する際にのみ動力を加えるようにしてもよく、さらにはクラッチ１４に常時、動力を加えておくこととしてもよい。
【００７１】また、上記実施形態３では、旋回動作を電動機駆動としているが、他のアクチュエータを電動機駆動としてもよい。また、ブーム動作を電動／油圧駆動としているが、他のアクチュエータを電動／油圧駆動としてもよい。
【００７２】また、上記実施形態１〜３では、作業機械の一例として油圧ショベルを説明したが、本発明の適用範囲はこれに限られず、本発明をクローラクレーン、ホイールクレーン等の他の作業機械にも同様に適用できるのはもちろんである。
【００７３】
【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、クラッチで原動機と液圧ポンプとの接続状態を維持することで、原動機と発電機兼電動機とのハイブリッド駆動での省エネルギ運転であるハイブリッド運転ができるようになるとともに、クラッチで上記接続状態を切断することで発電機兼電動機によって液圧ポンプを駆動する運転である発電機運転ができるようになる。この発電機運転では、原動機からの排気ガスが全くでなくなるので、トンネル内の工事や地下鉄工事等、閉鎖空間での使用に便宜である。また、低騒音であるので、住宅地や病院付近等での使用に便宜でもある。
【００７４】さらに、自走式であるので、作業機械をトンネルから外に出したり、住宅地から離せば、それ自身の原動機で発電機兼電動機を駆動して蓄電装置に充電でき、この充電が終了すれば、発電機兼電動機による運転ができるようになる。
【００７５】請求項２記載の発明によれば、例原動機の出力変動を抑えて、その効率を低下させることがなくなるので、作業機械のシステム全体の高効率化を図ることができる。
【００７６】請求項３記載の発明によれば、ハイブリッド運転の場合には、クラッチの接続に動力を必要とせず、さらなる省エネルギ化を図ることができる。
【００７７】請求項４記載の発明によれば、ハイブリッド運転の場合には、クラッチが接続状態となり、原動機を停止して発電機兼電動機で駆動する際にはその駆動力が原動機に伝達されないので、クラッチの接続や切断の操作にも動力も切換操作も不要となる。したがって、さらなる省エネルギ化を図ることができるとともに、操作をより簡単化することができる。
【００７８】請求項５記載の発明によれば、例えば旋回動作を直接電動機で駆動したり、ブームシリンダを電動機駆動の油圧ポンプで駆動することで、より一層の省エネルギ化を図ることができるとともに、作業機械の駆動方法を多様化することができる。
【出願人】 【識別番号】０００２４６２７３
【氏名又は名称】コベルコ建機株式会社
【住所又は居所】広島県広島市安佐南区祇園３丁目１２番４号
【出願日】 平成１３年６月２２日（２００１．６．２２）
【代理人】 【識別番号】１０００６７８２８
【弁理士】
【氏名又は名称】小谷 悦司 （外２名）
【公開番号】 特開２００３−９３０８（Ｐ２００３−９３０８Ａ）
【公開日】 平成１５年１月１０日（２００３．１．１０）
【出願番号】 特願２００１−１８９４６５（Ｐ２００１−１８９４６５）