數(shù)字液壓閥專利分析

何華

摘? 要：以Patsnap專利數(shù)據(jù)庫中收錄的數(shù)字液壓閥為研究對象，借助專利情報分析方法，對國內(nèi)外數(shù)字液壓閥的專利申請態(tài)勢、地域分布、申請人國別、重要專利、技術(shù)熱點(diǎn)及技術(shù)功效等方面進(jìn)行分析。揭示國內(nèi)外數(shù)字液壓閥技術(shù)發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀，找出國內(nèi)與國外的技術(shù)差距，研究其未來發(fā)展方向。為我國數(shù)字液壓閥產(chǎn)業(yè)發(fā)展和專利布局提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字液壓閥? 高速開關(guān)閥? 增量式數(shù)字閥? 專利分析

中圖分類號：TH137? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）09（a）-0087-06

Abstract：Taking the digital hydraulic valve included in the patent database of Patsnap as the research object， using the patent data analysis methods， this paper analyzes the patent application trend， regional distribution， applicant country， important patent， technology focus and technical efficiency of digital hydraulic valve at home and abroad. This paper reveals the development history and current situation of digital hydraulic valve technology at home and abroad， finds out the technical gap between domestic and foreign countries， and studies its future development direction. It provides a reference for the development of Chinas digital hydraulic valve industry and patent layout.

Key Words：Digital hydraulic valve; High speed switching valve; Incremental digital valve;? Patent analysis

隨著裝備自動化水平的提高，計算機(jī)技術(shù)、自控技術(shù)的發(fā)展以及與液壓技術(shù)的不斷融合，數(shù)字液壓閥應(yīng)運(yùn)而生。數(shù)字液壓閥是用數(shù)字信息直接控制的閥，簡稱數(shù)字閥，其可直接與計算機(jī)接口，無需D/A轉(zhuǎn)換元件，與電液比例閥、電液伺服閥相比，數(shù)字閥具有價格低廉、功耗小，閥口對油液污染不敏感，操作方便，簡單靈活等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字閥是目前液壓閥領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，也是今后液壓閥發(fā)展的主要方向。

本文基于Patsnap專利數(shù)據(jù)庫對全球數(shù)字閥的專利進(jìn)行檢索、查全及去噪之后，得到有效專利共計903件，其中發(fā)明專利549件。通過對全球有效專利的申請態(tài)勢分析，以及對發(fā)明專利的地域分布、申請人國別等方面分析，研究數(shù)字閥的發(fā)展方向，以期給國內(nèi)液壓企業(yè)以參考和啟發(fā)。

1? 申請態(tài)勢分析

1.1 全球數(shù)字閥專利申請態(tài)勢分析

圖1為全球數(shù)字閥在不同年份的申請量情況，根據(jù)曲線的趨勢變化及結(jié)合代表性專利分析，數(shù)字閥技術(shù)發(fā)展過程大體可分為3個階段。

（1）第一發(fā)展階段：萌芽發(fā)展期（1957-1986）

如圖1所示，自1957年出現(xiàn)第1件數(shù)字閥專利申請后，數(shù)字閥技術(shù)開始進(jìn)入人們的視野，但是每年的申請量均不大，發(fā)展較為緩慢，直到1986年專利申請量達(dá)到了第一個高峰（17項），這與當(dāng)前數(shù)字技術(shù)的發(fā)展是密不可分的。1962年美國授權(quán)的US3036598A是這一階段比較具有代表性的專利，該專利將計算機(jī)的輸出端與閥門驅(qū)動裝置相連，從而實現(xiàn)更加快速和準(zhǔn)確的控制，這是早期數(shù)字閥的控制狀態(tài)。

（2）第二發(fā)展階段：緩慢發(fā)展期（1987-1996）。

1987年，美國授權(quán)的專利US4673160A公開了一種數(shù)字伺服閥，此是最早的增量式數(shù)字閥。增量式數(shù)字閥是采用由脈沖數(shù)字調(diào)制演變而成的增量式控制方式，以步進(jìn)電機(jī)作為電/機(jī)轉(zhuǎn)換器，驅(qū)動液壓閥芯工作。在1987—1996年增量式數(shù)字閥逐步發(fā)展，占據(jù)了這一時期數(shù)字閥領(lǐng)域的主流。但由于受步進(jìn)電機(jī)慣頻和矩頻特性限制，響應(yīng)速度較低，頻寬較小。電機(jī)慣性引起滯后，在啟動和停止時產(chǎn)生失步現(xiàn)象，所以到20世紀(jì)末該類數(shù)字閥未能進(jìn)入快速發(fā)展期。

（3）第三發(fā)展階段：快速發(fā)展期（1997-2019）。

從1997年開始，數(shù)字閥的專利申請量呈快速攀升態(tài)勢，數(shù)字閥技術(shù)進(jìn)入快速發(fā)展期。這一階段數(shù)字閥的研究熱點(diǎn)主要集中在脈寬調(diào)制開關(guān)式數(shù)字閥，也稱為高速開關(guān)式數(shù)字閥。該數(shù)字閥具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、對油液污染不敏感;壓力損失小、功耗低;抗干擾能力強(qiáng);與計算機(jī)接口方便，控制程序容易編寫等優(yōu)點(diǎn)。

1.2 中國數(shù)字閥專利申請態(tài)勢分析

如圖2中國數(shù)字閥專利申請態(tài)勢圖所示，我國從1985年建立專利制度開始，數(shù)字閥技術(shù)進(jìn)入緩慢發(fā)展期，比國外數(shù)字閥專利申請開始時間晚了28年。在1985—2000年，每年專利數(shù)量僅有幾件，發(fā)展較為緩慢。這一時期國內(nèi)數(shù)字閥專利主要以增量式數(shù)字閥的研究為主，其中最有代表性的為廣州機(jī)床研究所在1986年研制的SZY系列數(shù)字先導(dǎo)溢流閥、SZQ系列數(shù)字調(diào)速閥、SZ系列數(shù)字換向閥，該幾種數(shù)字閥為我國首次研發(fā)成功的增量式數(shù)字閥產(chǎn)品。

2000年以后，中國數(shù)字閥的專利申請量逐漸增多起來。到了2007年以后，我國數(shù)字閥專利申請量則呈現(xiàn)了迅猛發(fā)展的態(tài)勢，在2018年達(dá)到了80件之多。

由此可以說明，我國數(shù)字閥在專利申請量方面已經(jīng)趕上了國外的發(fā)展步伐。這一時期專利研究的重點(diǎn)則是以高速開關(guān)數(shù)字閥為主，和全球數(shù)字閥同時期研究的熱點(diǎn)一致。具有代表性的專利為貴州紅林機(jī)械廠與美國BKM公司合作研制成功的HSV系列高速電磁開關(guān)閥。

2? 區(qū)域分布

從圖3所示，全球數(shù)字閥專利持有量最多的5個國家和地區(qū)分別為中國、美國、日本、德國和世界知識產(chǎn)權(quán)組織，共占到了全球?qū)＠?2.99%。其中中國專利數(shù)量位居榜首，占到了全球?qū)＠?9.91%。

從圖4所示，中國持有的專利量共273件，幾乎都是在中國本土進(jìn)行專利保護(hù)的，在國外進(jìn)行專利保護(hù)的僅有2件。由此可以看出，中國數(shù)字閥還未開始在海外國家進(jìn)行專利布局。

在中國受理局受理的專利中，數(shù)字閥專利總量275件，絕大部分都是中國申請，僅有少數(shù)幾件來自國外申請人，其中美國4件，法國和荷蘭各1件。由此可以看出，國外申請人也還未開始在中國進(jìn)行大規(guī)模專利布局。

3? 申請人分析

從圖5全球數(shù)字閥申請人排名可以看出，數(shù)字閥專利申請量排名第一的是中國的浙江大學(xué)，申請發(fā)明專利共20件。博世力士樂、日立、浙江科技大學(xué)、日本東京計器分別位居第二～第五位。在top15中，中國占了6家，美國3家，日本3家，德國2家，荷蘭1家。從這15家的申請人類型可知，中國的6家申請人中，高等院?；蚩蒲袡C(jī)構(gòu)占了5家之多，而其他進(jìn)入前15名的國外申請人則都是企業(yè)。

以上可以看出，國外數(shù)字閥的核心技術(shù)基本掌握在美國、日本、德國幾個國家的手中，這與幾個國家的工業(yè)技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r也是相一致的。并且，在日本、德國、美國等國家，高速開關(guān)式數(shù)字閥已經(jīng)應(yīng)用到農(nóng)用機(jī)械、運(yùn)輸設(shè)備、機(jī)床、航空等領(lǐng)域。而我國數(shù)字閥的研究力量雖然較強(qiáng)，但是更多集中在高等院校和科研機(jī)構(gòu)，企業(yè)的研究力量相對薄弱。結(jié)合我國數(shù)字閥的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀可知，我國數(shù)字閥研究起步較晚，目前在市場應(yīng)用上還處于起步階段。如果中國的液壓企業(yè)可以和研究能力較強(qiáng)的高等院校進(jìn)行產(chǎn)學(xué)研合作，加速科技成果轉(zhuǎn)化，相信我國數(shù)字閥的發(fā)展有望助力我國液壓產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)彎道超車。

4? 重要專利分析

對全球數(shù)字閥專利分別按照高價值專利、高被引專利及專利家族規(guī)模三個維度進(jìn)行排名，

分別得到排名前10的專利，共計30項，其專利申請地域分布如圖6所示。在該30項重要專利的申請人中，中國僅占了3項，由此可以看出，雖然我國目前數(shù)字閥的專利數(shù)量較為領(lǐng)先，但從專利價值的角度看，我國卻不占優(yōu)勢，說明在核心技術(shù)水平上我國相比國外還是有一定差距的。

5? 技術(shù)熱點(diǎn)分析

數(shù)字閥的高頻詞圖如圖7所示，圖中關(guān)鍵詞字體的大小代表該詞出現(xiàn)的頻率。通過分析梳理高頻詞之間的聯(lián)系，可以得出如下結(jié)論：

（1）高速開關(guān)閥的專利研究熱度明顯超過了增量式數(shù)字閥（步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動數(shù)字閥），占據(jù)了數(shù)字閥研究領(lǐng)域的主要地位;

（2）數(shù)字閥的研究方向主要集中在高壓、高速、高響應(yīng)、大流量等幾個方面;

（3）在研究領(lǐng)域上，數(shù)字閥除了集中在信號控制、閥體、先導(dǎo)閥、步進(jìn)電機(jī)的研究之外，新材料壓電晶體和超磁致伸縮材料，數(shù)字式純水液壓閥也已經(jīng)成為數(shù)字閥的研究熱點(diǎn)和發(fā)展方向。

結(jié)合數(shù)字閥發(fā)展研究的相關(guān)文獻(xiàn)可知，將高速開關(guān)閥作為先導(dǎo)級控制主閥運(yùn)動，是目前工業(yè)界獲得高壓大流量的主要手段和研究方向。最具代表性的產(chǎn)品是數(shù)字先導(dǎo)控制比例二通插裝閥和數(shù)字先導(dǎo)控制多路閥。但由于數(shù)字先導(dǎo)控制的液壓閥，頻率響應(yīng)大大被降低。此時，新型材料壓電晶體和稀土超磁致伸縮材料被人們廣泛研究與應(yīng)用，其高頻響和高輸出力的特性，很好地解決了高速響應(yīng)與高壓大流量之間的矛盾。

6? 技術(shù)功效矩陣分析

對數(shù)字閥分別按照技術(shù)和功效進(jìn)行分類，按照分類對國內(nèi)外數(shù)字閥發(fā)明專利進(jìn)行標(biāo)引分析，從而數(shù)字閥技術(shù)功效矩陣，如圖8、圖9所示。

通過數(shù)字閥技術(shù)功效矩陣分析，結(jié)合重點(diǎn)專利的研究內(nèi)容，可以總結(jié)出國內(nèi)外數(shù)字閥技術(shù)發(fā)展的一些異同。

相同點(diǎn)：

（1）國內(nèi)外數(shù)字閥專利申請量水平相當(dāng)。

（2）國內(nèi)外都關(guān)注數(shù)字閥小型化的發(fā)展，而其研究主要都集中在閥芯和閥體結(jié)構(gòu)的改進(jìn)上。

（3）國內(nèi)外都關(guān)注數(shù)字閥高壓/大流量的發(fā)展，其主要受閥體結(jié)構(gòu)和驅(qū)動放大器的影響。

（4）在驅(qū)動放大器的研究上，國內(nèi)外技術(shù)水平相當(dāng)，且其都是對數(shù)字閥的控制性能影響最大。

不同點(diǎn)：

（1）在新材料/工藝方面，國外的研發(fā)力量較強(qiáng)，申請的專利數(shù)量較多。而國內(nèi)在新材料/工藝方面的專利量明顯少于國外，說明在這一項技術(shù)上的研發(fā)和水平國內(nèi)落后于國外。而新材料/工藝的水平對數(shù)字閥小型化和控制性能有很大程度的影響。目前較為先進(jìn)的材料為電磁致轉(zhuǎn)換材料和壓電晶體材料。

（2）在電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的研究上，國外更多關(guān)注在數(shù)字閥的響應(yīng)速度上，而國內(nèi)則更多關(guān)注在數(shù)字閥的控制性能上。

7? 結(jié)語

本文通過對國內(nèi)外數(shù)字閥的專利申請態(tài)勢、地域分布、申請人國別、重點(diǎn)專利、技術(shù)熱點(diǎn)及技術(shù)功效等方面進(jìn)行分析，進(jìn)一步加以歸納和總結(jié)，得出以下結(jié)論：

（1）我國數(shù)字閥專利的發(fā)展起步較晚，與國外首件專利的申請落后了28年。但自20世紀(jì)80年代以來，我國數(shù)字閥研究重點(diǎn)基本能夠緊跟全球發(fā)展方向。近些年，我國數(shù)字閥技術(shù)發(fā)展迅速，尤其是在2007年之后更是呈現(xiàn)了迅猛的發(fā)展態(tài)勢，在申請數(shù)量上已經(jīng)趕上了國外的發(fā)展步伐。但我國數(shù)字閥重要專利占比卻不多，說明我國數(shù)字閥的核心技術(shù)水平和國外還有一定的差距。

（2）全球數(shù)字閥目前還處于發(fā)展上升期，尤其是對高速開關(guān)閥的研究比較活躍。國外的數(shù)字閥專利還未在中國開始大規(guī)模的專利布局，對于中國企業(yè)而言，這是一個大好的發(fā)展良機(jī)。中國企業(yè)完全可以對未進(jìn)入中國的核心專利進(jìn)行分析利用，在技術(shù)發(fā)展上少走彎路，并先于國外企業(yè)在專利布局上搶占先機(jī)。

（3）我國數(shù)字閥的專利研究更多集中在高等院校和研究機(jī)構(gòu)，而企業(yè)的研究力量相對薄弱。要想提高我國數(shù)字閥的技術(shù)水平，需要將高等院校與研究機(jī)構(gòu)的研究成果真正的市場化、社會化、產(chǎn)業(yè)化，加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研用一體化建設(shè)，充分發(fā)揮高校和研究機(jī)構(gòu)的研發(fā)能力與企業(yè)單位的實際生產(chǎn)能力。

（4）未來數(shù)字閥的發(fā)展趨勢是小型化、高速、高壓、大流量、高頻響、節(jié)能環(huán)保等。實現(xiàn)數(shù)字閥的小型化，主要通過優(yōu)化閥芯閥體結(jié)構(gòu)和采用新材料的方式實現(xiàn);獲得數(shù)字閥的高精度、高頻響是通過改進(jìn)電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器和驅(qū)動放大器的信號控制;而高壓、大流量數(shù)字閥的研究則是集中在驅(qū)動放大器和閥體結(jié)構(gòu)上;節(jié)能環(huán)保則是通過研發(fā)純水液壓閥實現(xiàn)。在幾項技術(shù)的研究上，國內(nèi)外的研究重點(diǎn)及專利數(shù)量相當(dāng)，只有在新材料/新工藝方面，中國的專利數(shù)明顯少于國外，說明在基礎(chǔ)材料的研究投入上國內(nèi)和國外還有一定差距，中國需加強(qiáng)這方面的研究。

總的來說，我國數(shù)字閥技術(shù)目前進(jìn)入了快速發(fā)展期，雖然與國外在核心技術(shù)上還存在一定差距，但相比其他液壓元件，卻是差距較小的。因此，中國液壓產(chǎn)業(yè)要想實現(xiàn)彎道超車，數(shù)字閥技術(shù)的發(fā)展與突破將是一個很好的方向。

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