滚柱丝杠领域的全球专利分析

王小波，吴志敏， 贾丹，白欣欣

(国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心，江苏苏州 215000 )

滚柱丝杠领域的全球专利分析

王小波，吴志敏， 贾丹，白欣欣

(国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心，江苏苏州 215000 )

滚柱丝杠副是一种可以将旋转运动转换为直线运动的传动装置，被广泛应用于汽车行业、航空机械和武器装备以及石油、化工、机床等领域，并成为国内外研究热点。介绍了3种类型滚柱副的工作原理，并利用强大的专利检索系统(S系统)中的CNABS、SIPOABS、DWPI等数据库从多方面对滚柱丝杠专利进行了统计分析和梳理，从国内外专利申请趋势、申请人以及关键技术专利等方面进行深入分析。通过分析相关数据，为我国滚柱丝杠领域的技术发展和专利申请提供参考，并给出相关发展建议。

滚柱丝杠；专利分析；S系统；关键技术

0 前言

滚柱丝杠副是一种可以将旋转运动转换为直线运动的传动装置，由于它具有承载能力强、精度高、频响快、高速运行时噪声小等优点，被广泛应用于汽车行业、航空机械和武器装备以及石油、化工、机床等领域[1-4]。其最典型的应用实例是1976—1992年，总共14架超音速的大型客机在法航和英航的航线上飞行，每架航空飞机安装有8个行星滚柱丝杠副以控制发动机吸气机构，在正常运转的情况下施加在丝杠上载荷变化范围为-21 000～9 275 N，温度变化范围为-60～140 ℃，而行星丝杠副在如此高载荷、大温差的恶劣环境工况下没有一个失效。由此可见，滚柱丝杠副相对于其他类型的传动副尤其是滚珠丝杠副有着巨大的技术优势。同样原因，滚柱丝杠副也被应用于汽车上的伺服电动缸。

滚柱丝杠副在国外已经是一种比较成熟的产品，但是在国内到目前为止，对其基础理论的研究还处于起始阶段，研制水平还比较薄弱，也并没有开发推广成熟产品。作者意在对该技术的专利文献进行检索的基础上，分析该技术的现状并预测未来的发展趋势，并且对照各主要国家和申请人的专利活动，对我国在该技术上的专利申请活动给出客观定位，对我国主要申请人的专利活动作全面评价，以期在国际化的大潮下，对我国在滚柱丝杠领域的发展提供一些有价值的信息。

1 滚柱丝杠技术概述

1.1 发展历程

瑞典人Carl Bruno Strandgren于1942年申请了循环式行星滚柱丝杠的发明专利(申请号FR888281)，开启了滚柱丝杠领域的时代，他随后又申请了一系列关于滚柱丝杠副的专利；William J Roantree于1968年申请了差动式滚柱丝杠副的专利，Timonthy A Erhart于1993年发明了包含差动轴承环型滚柱丝杠的线性马达，并申请了专利。至此，行星滚柱丝杠已经发展成较为成熟的系列产品在全球广泛推广开来，在发展过程也出现了其他类型的丝杠滚柱副。

滚柱丝杠副根据滚柱与丝杠的位置关系分为3种类型：(1)滚柱与丝杠垂直布置的类型；(2)行星滚柱丝杠类型；(3)滚柱与丝杠平行布置的非行星滚柱丝杠类型。其中，行星滚柱丝杠副(Planetary Roller Screw)是其中最为常见的一种类型，而行星滚柱丝杠副(PRS)的结构形式主要是通过滚柱相对于丝杠和螺母的运动关系来分类，常见的PRS有5种结构形式，即：标准式、反向式、循环式、差动式和轴承环式。

到目前为止，全球生产滚柱丝杠的厂商主要有：瑞典的SKF公司、日本的THK株式会社以及NTN株式会社，各大厂商都开发了系列产品，例如SKF公司的SR、T/PR、SV、PV系列。

1.2 3种类型丝杠滚柱副的工作原理

图1是布置方式为滚柱垂直丝杠类型的典型专利申请(专利公开号DE1111905 B)，包括滚柱1、支撑滚柱的导轨2以及丝杠3，滚柱1垂直丝杠3布置并与其耦合，动力机构驱动丝杠3转动，滚柱1与丝杠3摩擦结合，使丝杠3沿着导轨2直线移动，将丝杠3的旋转运动转化为直线或弧线运动，滚柱1与丝杠3之间的接触为滚动摩擦，有效提高了传动效率。

如图2所示，典型的行星滚柱丝杠副PRS主要由3个部件组成，即丝杠、滚柱、螺母(齿圈)，其中丝杠是多头螺纹；滚柱是具有相同牙型角的单头螺纹，其牙型轮廓通常加工成球面，用于提高承载能力、降低摩擦、提高效率；螺母是具有与丝杠相同头数和牙型的内螺纹。若干个滚柱沿丝杠圆周方向均匀分布。

图3为行星滚柱丝杠副的运动原理图，可以看出行星丝杠的传动原理与行星轮系相似，丝杠可以看作太阳轮，滚柱作为行星轮，螺母作为齿圈，当丝杠旋转且螺母固定时，滚柱围绕丝杠作行星运动，同时通过螺旋传动原理，将丝杠的旋转运动转化为螺母的直线往复运动。行星丝杠传动3个部件之间的接触为多点接触，所以比单点接触的滚珠丝杠更有技术优势。

除上述类型外，还有第3种类型，即滚柱与丝杠平行布置的非行星滚柱丝杠类型，与行星滚柱丝杠类型的布置方式类似，所不同的仅仅是滚柱只自转、不进行公转。

2 滚柱丝杠专利技术状况分析

作者利用S系统中的CNABS、SIPOABS、DWPI等数据库从多方面对滚柱丝杠领域进行了统计分析，为我国滚柱丝杠领域的技术发展和专利申请提供参考。截止到 2014年10月6日，对于涉及滚柱丝杠领域的专利申请，在上述数据库中检索并经过筛选和数据处理，得到有效的滚柱丝杠相关技术的全球专利申请数据1310项，中国专利申请数据241项。

2.1 检索策略

对滚柱丝杠领域的检索，主要依赖于IPC分类号、EC分类号、CPC分类号、FT分类号与关键词。针对分类号和数据库的特点，在分类准确的SIPOABS数据库中通过FT/CPC/EC+关键词的方式进行检索；在关键词更准确的DWPI数据库中通过IPC/EC+关键词和关键词+关键词的策略检索；在CNABS数据库中采用IPC+关键词和关键词+关键词的检索策略，对上述检索结果先进行合并去重处理，再统计分析。

2.2 全球专利申请状况分析

2.2.1 全球专利申请的时间发展趋势

图4为1968—2013年滚柱丝杠领域全球专利申请数量随时间的变化趋势，2012—2013年的申请量下降的原因是发明专利申请至公开的时间段较长，导致数据统计不完全，仅供参考。可以看出，滚柱丝杠领域经历了萌芽期(1942—1972年)、稳定发展期(1972—1993年)、快速发展期(1994—2005年)以及成熟期(2006—至今)。滚柱丝杠在1942年诞生后进入萌芽期，经过二十多年的缓慢发展之后在1972年进入稳定发展期，相关的专利申请数量稳定在20项左右；在1994年之后进入快速发展期，专利申请量呈现快速增长趋势；在2006年之后进入成熟期。值得注意的是：由于受2008—2009年世界经济危机的影响，滚柱丝杠领域，全球专利申请数量下降，在2010年之后随着全球经济回暖，滚柱丝杠领域的相关专利申请数量也开始逐年回升。

2.2.2 申请量的区域分布

从图5可以看出：行星滚柱丝杠领域申请产出排在前6位的国家或地区是日本、美国、中国、俄罗斯和法国，其中日本的申请量最大，约占全部申请总数的34%，美国、俄罗斯申请量比较接近，中国的申请量仅次于上述国家。此外，我国台湾地区的专利申请量也排在前十之中，表明台湾也相当重视该技术的研发，这也为两岸开展此领域的合作研究奠定了良好的基础。

2.2.3 全球主要申请人分析

通过对检索到的1310项专利申请数据进行统计分析，排名前10位的申请人和申请量如图6所示。可以看出：截止统计日，NTN株式会社、谢夫勒科技有限公司、日本精工株式会社、THK株式会社、丰田公司、SKF等公司在滚柱丝杆领域的专利申请量都比较大，株式会社日立制作所、BLINOV公司以及波音公司在相关领域也比较强势。并且，在排名前十的申请人中，有一半申请人属于日本，反映了日本在滚柱丝杠领域处于领先地位，取得了集团领先优势；而中国大陆的申请人并不在上述排名中，说明在相关技术领域的研发在全球范围内比较薄弱。具体到滚柱丝杠结构分类方面的专利申请方向，NTN株式会社、谢夫勒科技有限公司、丰田公司、SKF以及波音公司侧重于滚柱与丝杠平行布置类型的专利申请，尤其是行星滚柱丝杠类型，日本精工株式会社、上银科技股份有限公司等更侧重于滚柱与丝杠大致垂直类型的专利申请。

NTN株式会社是世界综合性精密机械制造厂家之一，从20世纪90年代开始申请滚柱丝杠相关领域的专利，进入21世纪后，在滚柱丝杠领域的申请量急速上升，已经超越SKF、ROLLVIS等老牌公司。然而，值得注意的是，当前NTN株式会社在滚柱丝杠领域的市场份额并不如SKF和ROLLVIS等公司，而这充分说明日本的企业相比其他国家或地区的企业更注重专利布局，更好地执行了“技术发展，专利先行”的发展战略。

2.3 中国专利申请状况分析

2.3.1 中国专利申请的时间发展趋势

通过统计CNABS数据库滚柱丝杠领域的专利申请量，得到申请量随时间变化趋势，如图7所示。

从图7可以看出：与国外的技术相比，中国的滚柱丝杠领域起步较晚，直到20世纪90年代行星滚柱丝杠副的概念才开始引入中国，加上对其基础理论的研究比较薄弱，所以行星滚柱丝杠副的专利申请在1987—2003之间数量较少，而在中国的中国专利申请数量从2003年之后开始活跃，申请数量开始上升，其原因主要在于：(1)随着中国经济的发展，中国已经成为机械设备的最大消费市场之一，各大公司(例如THK株式会社、SKF公司、NTN株式会社等)着眼于中国市场，大量的国外申请进入我国；(2)国内的高校研究机构和公司也开始积极进行研究，申请相关专利，该领域的自主创新能力正在逐渐增强。与全球相关领域申请数量变化趋势类似，由于2008—2009年世界经济危机的影响，在中国的滚柱丝杠领域专利申请数量下降，在2010年之后随着全球经济回暖，滚柱丝杠领域的相关专利申请数量也开始逐年回升。

2.3.2 中国专利申请的申请人分析

图8是在中国申请的国外申请人和国内申请人各自所占的比重，可以看出：国外申请人在华申请数量反而大于本国申请人的申请数量，占到约55%。这是由于：(1)由于中国经济迅速发展，已逐渐成为机械设备的最大消费市场之一，国外公司非常重视在华市场；(2)相对于中国的企业，国外的企业历来重视知识产权的保护，专利申请的积极性较高；(3)相对于国外，中国在滚柱丝杠领域的研究才刚刚起步，导致技术远远落后于其他先进国家，另外中国的企业和科研机构对知识产权保护的意识还比较薄弱，申请专利数量较少。

图9显示出我国申请人的类型分布情况，可以看出：我国申请人中公司申请62件占到57%，个人申请的比例要高于高校申请与科研机构申请数量的总和，占总量的24%。这说明高校和科研机构还不够重视滚珠丝杠领域的研发，而公司申请才占到一半，这说明国内在相关领域的资金投入和研发力量不足，且在上述专利申请中，实用新型占到了很大比例，而外国申请人在中国的申请均为发明专利，这说明国外的技术优势非常明显，国内的技术水平还有待提高。

2.3.3 中国专利申请量的地域分布

图10显示出了滚柱丝杠领域的申请人地区分布，可以看出：江苏、陕西、台湾、浙江、广东、上海以及北京位居前七，江苏以绝对的优势领先于其他地区。专利分布格局的原因主要在于以下几个方面：申请专利的主要省市大多数是经济发达地区，经济发达为研发提供了充裕的资金支持；其次，这些地方积极支持知识产权保护，鼓励申请专利；另外，中国发展该领域的高校、重点企业和科研机构集中分布在上述省市地区。

2.4 滚柱丝杠关键技术专利

瑞典人Carl Bruno Strandgren于1942年申请了循环式行星滚柱丝杠的发明专利(申请号FR888281A)，如图11所示，该结构的滚柱没有上升螺旋角，开启了行星滚柱丝杠领域的时代，Strandgren随后又申请了一系列关于滚柱丝杠副的专利，包括具有螺旋上升角滚柱的行星滚柱丝杠结构。

William J Roantree于1967年申请了差动式滚柱丝杠副的专利(申请号US19670661860A)， 与以前的行星滚柱丝杠不同，如图12所示，其中螺母1、滚柱2、丝杠3上螺纹头数的选择均不同，并且滚柱和丝杠的导程都为零，在滚柱上制造螺旋升角不同的两种滚道使其具有差动齿轮传动的特点，该方式的失效是刚开始运动时位置控制的不精确和螺母中的推力轴承失效。

德国航空及宇航研究及试验协会于1987年申请了一项专利申请(申请号DE3739059A)，如图13所示，该PRS结构包括心轴1、细螺纹2、封盖3、滚柱4、凸起5、螺母8、内导槽9，该滚柱4具有两种齿形6、7，其中一种细螺纹的齿形6产生对丝杠上的齿形的轴向动力啮合，而另一种较粗的齿形7对螺母上的齿型产生轴向动力啮合，可以提供非常高的效率和较高的降速比。

美国EXLAR公司于1993年申请了一项专利发明，该发明涉及一种具有位置反馈传感器的线性驱动器，发明人为著名的 Timonthy A Erhart，该线性驱动器是一种包含差动轴承环型滚柱丝杠的线性马达，如图14所示，包括外壳1、输出轴2、滚柱3、定子4、螺母5和磁体6，从此之后滚柱丝杠在精密仪器领域得到了更广发的应用。

3 结束语

随着滚柱丝杠副尤其是PRS各种优点的凸显以及加工手段的多样化，其大推力、高频响、长寿命等特点越来越符合航空航天和武器装备的发展趋势和要求，滚柱丝杠副的研究和专利申请也越来越受到重视。而通过对滚柱丝杠领域的专利申请状况分析可以看出：由于时间发展差异，该产业的巨头企业大多属于日本、欧洲和美国公司(例如瑞典SKF公司、日本NTN株式会社)，这些国家的专利申请数量多并且技术含量也较高，形成了滚柱丝杠技术领域的技术垄断，专利优势非常明显；与之相比较，中国在滚柱丝杠领域的研究和发展还处于起始阶段，相关研究过少，自主研发的专利申请数量较少。在今后的发展中，建议国内的公司和科研机构应借鉴国外先进经验，加大研发力度，重视滚柱丝杠尤其是行星滚柱丝杠的基础理论研究以及核心技术的开发，逐步缩小与国外企业在技术上的差距；重视科研机构与企业合作开发；遵循“技术发展，专利先行”的指导思想，积极筹备相关领域的专利申请，形成技术壁垒，从而掌握市场的主动权。

【1】马尚君,刘更,周建星,等.行星滚柱丝杠副运转过程动态特性分析[J].振动与冲击，2013，32(3):167-171.

【2】Rosero J A,Ortega J A,Aldabas E,et al.Moving Towards a More Electric Air-craft[J].Aerospace and Electronic Systems,2007,22(3):1-7.

【3】董永,刘更,马尚君,等.行星滚柱丝杠副滚柱的设计方法与虚拟装配[J].机械设计，2013，30(8)：53-70.

【4】刘更,马尚君.佟瑞庭,等.行星滚柱丝杠副的新发展及关键技术[J].机械传动，2012，36(5)：103-109.

ResearchReviewonGlobalRollerScrewFieldPatent

WANG Xiaobo, WU Zhimin, JIA Dan, BAI Xinxin

(Patent Exanination Cooeration Jiangsu Center of the Patent Office SIPO,Suzhou Jiangsu 215000，China)

The roller screw is a mechanical transmission device converting rotary motion into linear motion or vice versa, which is widely used in aviation machinery and weaponry as well as vehicle industry, petroleum, chemicals, machine tools and other fields, and has become the domestic and foreign research focus. The working principles of three kinds of roller screw pair were introduced. Global roller screw patents were collected and statistical analyzed by the specialized patent searching and analyzing platform of S system, that including CNABS,SIPOABS, DWPI and other databases. The research status and developmental trend of roller screw were summarized from the aspects of domestic and international time trends, national distribution, technical branches distribution, applicant distribution and key technology patents. Based on the summaries and related analysis, some suggestions were presented for future roller screw research and development in China.

Roller screw; Patent analysis; S system; Key technology

2015-03-01

王小波(1986—)，男，工学硕士，实质审查员，从事车辆领域发明实质审查工作。E-mail：light225@sina.com。