数字液压阀专利分析

何华

摘  要：以Patsnap专利数据库中收录的数字液压阀为研究对象，借助专利情报分析方法，对国内外数字液压阀的专利申请态势、地域分布、申请人国别、重要专利、技术热点及技术功效等方面进行分析。揭示国内外数字液压阀技术发展的历史和现状，找出国内与国外的技术差距，研究其未来发展方向。为我国数字液压阀产业发展和专利布局提供参考依据。

关键词：数字液压阀  高速开关阀  增量式数字阀  专利分析

中图分类号：TH137                           文献标识码：A                 文章編号：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

随着装备自动化水平的提高，计算机技术、自控技术的发展以及与液压技术的不断融合，数字液压阀应运而生。数字液压阀是用数字信息直接控制的阀，简称数字阀，其可直接与计算机接口，无需D/A转换元件，与电液比例阀、电液伺服阀相比，数字阀具有价格低廉、功耗小，阀口对油液污染不敏感，操作方便，简单灵活等优点。数字阀是目前液压阀领域研究的热点，也是今后液压阀发展的主要方向。

本文基于Patsnap专利数据库对全球数字阀的专利进行检索、查全及去噪之后，得到有效专利共计903件，其中发明专利549件。通过对全球有效专利的申请态势分析，以及对发明专利的地域分布、申请人国别等方面分析，研究数字阀的发展方向，以期给国内液压企业以参考和启发。

1  申请态势分析

1.1 全球数字阀专利申请态势分析

图1为全球数字阀在不同年份的申请量情况，根据曲线的趋势变化及结合代表性专利分析，数字阀技术发展过程大体可分为3个阶段。

（1）第一发展阶段：萌芽发展期（1957-1986）

如图1所示，自1957年出现第1件数字阀专利申请后，数字阀技术开始进入人们的视野，但是每年的申请量均不大，发展较为缓慢，直到1986年专利申请量达到了第一个高峰（17项），这与当前数字技术的发展是密不可分的。1962年美国授权的US3036598A是这一阶段比较具有代表性的专利，该专利将计算机的输出端与阀门驱动装置相连，从而实现更加快速和准确的控制，这是早期数字阀的控制状态。

（2）第二发展阶段：缓慢发展期（1987-1996）。

1987年，美国授权的专利US4673160A公开了一种数字伺服阀，此是最早的增量式数字阀。增量式数字阀是采用由脉冲数字调制演变而成的增量式控制方式，以步进电机作为电/机转换器，驱动液压阀芯工作。在1987—1996年增量式数字阀逐步发展，占据了这一时期数字阀领域的主流。但由于受步进电机惯频和矩频特性限制，响应速度较低，频宽较小。电机惯性引起滞后，在启动和停止时产生失步现象，所以到20世纪末该类数字阀未能进入快速发展期。

（3）第三发展阶段：快速发展期（1997-2019）。

从1997年开始，数字阀的专利申请量呈快速攀升态势，数字阀技术进入快速发展期。这一阶段数字阀的研究热点主要集中在脉宽调制开关式数字阀，也称为高速开关式数字阀。该数字阀具有结构简单、成本低、对油液污染不敏感;压力损失小、功耗低;抗干扰能力强;与计算机接口方便，控制程序容易编写等优点。

1.2 中国数字阀专利申请态势分析

如图2中国数字阀专利申请态势图所示，我国从1985年建立专利制度开始，数字阀技术进入缓慢发展期，比国外数字阀专利申请开始时间晚了28年。在1985—2000年，每年专利数量仅有几件，发展较为缓慢。这一时期国内数字阀专利主要以增量式数字阀的研究为主，其中最有代表性的为广州机床研究所在1986年研制的SZY系列数字先导溢流阀、SZQ系列数字调速阀、SZ系列数字换向阀，该几种数字阀为我国首次研发成功的增量式数字阀产品。

2000年以后，中国数字阀的专利申请量逐渐增多起来。到了2007年以后，我国数字阀专利申请量则呈现了迅猛发展的态势，在2018年达到了80件之多。

由此可以说明，我国数字阀在专利申请量方面已经赶上了国外的发展步伐。这一时期专利研究的重点则是以高速开关数字阀为主，和全球数字阀同时期研究的热点一致。具有代表性的专利为贵州红林机械厂与美国BKM公司合作研制成功的HSV系列高速电磁开关阀。

2  区域分布

从图3所示，全球数字阀专利持有量最多的5个国家和地区分别为中国、美国、日本、德国和世界知识产权组织，共占到了全球专利的82.99%。其中中国专利数量位居榜首，占到了全球专利的49.91%。

从图4所示，中国持有的专利量共273件，几乎都是在中国本土进行专利保护的，在国外进行专利保护的仅有2件。由此可以看出，中国数字阀还未开始在海外国家进行专利布局。

在中国受理局受理的专利中，数字阀专利总量275件，绝大部分都是中国申请，仅有少数几件来自国外申请人，其中美国4件，法国和荷兰各1件。由此可以看出，国外申请人也还未开始在中国进行大规模专利布局。

3  申请人分析

从图5全球数字阀申请人排名可以看出，数字阀专利申请量排名第一的是中国的浙江大学，申请发明专利共20件。博世力士乐、日立、浙江科技大学、日本东京计器分别位居第二～第五位。在top15中，中国占了6家，美国3家，日本3家，德国2家，荷兰1家。从这15家的申请人类型可知，中国的6家申请人中，高等院校或科研机构占了5家之多，而其他进入前15名的国外申请人则都是企业。

以上可以看出，国外数字阀的核心技术基本掌握在美国、日本、德国几个国家的手中，这与几个国家的工业技术发展状况也是相一致的。并且，在日本、德国、美国等国家，高速开关式数字阀已经应用到农用机械、运输设备、机床、航空等领域。而我国数字阀的研究力量虽然较强，但是更多集中在高等院校和科研机构，企业的研究力量相对薄弱。结合我国数字阀的发展历史和现状可知，我国数字阀研究起步较晚，目前在市场应用上还处于起步阶段。如果中国的液压企业可以和研究能力较强的高等院校进行产学研合作，加速科技成果转化，相信我国数字阀的发展有望助力我国液压产业实现弯道超车。

4  重要专利分析

对全球数字阀专利分别按照高价值专利、高被引专利及专利家族规模三个维度进行排名，

分别得到排名前10的专利，共计30项，其专利申请地域分布如图6所示。在该30项重要专利的申请人中，中国仅占了3项，由此可以看出，虽然我国目前数字阀的专利数量较为领先，但从专利价值的角度看，我国却不占优势，说明在核心技术水平上我国相比国外还是有一定差距的。

5  技术热点分析

数字阀的高频词图如图7所示，图中关键词字体的大小代表該词出现的频率。通过分析梳理高频词之间的联系，可以得出如下结论：

（1）高速开关阀的专利研究热度明显超过了增量式数字阀（步进电机驱动数字阀），占据了数字阀研究领域的主要地位;

（2）数字阀的研究方向主要集中在高压、高速、高响应、大流量等几个方面;

（3）在研究领域上，数字阀除了集中在信号控制、阀体、先导阀、步进电机的研究之外，新材料压电晶体和超磁致伸缩材料，数字式纯水液压阀也已经成为数字阀的研究热点和发展方向。

结合数字阀发展研究的相关文献可知，将高速开关阀作为先导级控制主阀运动，是目前工业界获得高压大流量的主要手段和研究方向。最具代表性的产品是数字先导控制比例二通插装阀和数字先导控制多路阀。但由于数字先导控制的液压阀，频率响应大大被降低。此时，新型材料压电晶体和稀土超磁致伸缩材料被人们广泛研究与应用，其高频响和高输出力的特性，很好地解决了高速响应与高压大流量之间的矛盾。

6  技术功效矩阵分析

对数字阀分别按照技术和功效进行分类，按照分类对国内外数字阀发明专利进行标引分析，从而数字阀技术功效矩阵，如图8、图9所示。

通过数字阀技术功效矩阵分析，结合重点专利的研究内容，可以总结出国内外数字阀技术发展的一些异同。

相同点：

（1）国内外数字阀专利申请量水平相当。

（2）国内外都关注数字阀小型化的发展，而其研究主要都集中在阀芯和阀体结构的改进上。

（3）国内外都关注数字阀高压/大流量的发展，其主要受阀体结构和驱动放大器的影响。

（4）在驱动放大器的研究上，国内外技术水平相当，且其都是对数字阀的控制性能影响最大。

不同点：

（1）在新材料/工艺方面，国外的研发力量较强，申请的专利数量较多。而国内在新材料/工艺方面的专利量明显少于国外，说明在这一项技术上的研发和水平国内落后于国外。而新材料/工艺的水平对数字阀小型化和控制性能有很大程度的影响。目前较为先进的材料为电磁致转换材料和压电晶体材料。

（2）在电-机械转换器的研究上，国外更多关注在数字阀的响应速度上，而国内则更多关注在数字阀的控制性能上。

7  结语

本文通过对国内外数字阀的专利申请态势、地域分布、申请人国别、重点专利、技术热点及技术功效等方面进行分析，进一步加以归纳和总结，得出以下结论：

（1）我国数字阀专利的发展起步较晚，与国外首件专利的申请落后了28年。但自20世纪80年代以来，我国数字阀研究重点基本能够紧跟全球发展方向。近些年，我国数字阀技术发展迅速，尤其是在2007年之后更是呈现了迅猛的发展态势，在申请数量上已经赶上了国外的发展步伐。但我国数字阀重要专利占比却不多，说明我国数字阀的核心技术水平和国外还有一定的差距。

（2）全球数字阀目前还处于发展上升期，尤其是对高速开关阀的研究比较活跃。国外的数字阀专利还未在中国开始大规模的专利布局，对于中国企业而言，这是一个大好的发展良机。中国企业完全可以对未进入中国的核心专利进行分析利用，在技术发展上少走弯路，并先于国外企业在专利布局上抢占先机。

（3）我国数字阀的专利研究更多集中在高等院校和研究机构，而企业的研究力量相对薄弱。要想提高我国数字阀的技术水平，需要将高等院校与研究机构的研究成果真正的市场化、社会化、产业化，加强产学研用一体化建设，充分发挥高校和研究机构的研发能力与企业单位的实际生产能力。

（4）未来数字阀的发展趋势是小型化、高速、高压、大流量、高频响、节能环保等。实现数字阀的小型化，主要通过优化阀芯阀体结构和采用新材料的方式实现;获得数字阀的高精度、高频响是通过改进电-机械转换器和驱动放大器的信号控制;而高压、大流量数字阀的研究则是集中在驱动放大器和阀体结构上;节能环保则是通过研发纯水液压阀实现。在几项技术的研究上，国内外的研究重点及专利数量相当，只有在新材料/新工艺方面，中国的专利数明显少于国外，说明在基础材料的研究投入上国内和国外还有一定差距，中国需加强这方面的研究。

总的来说，我国数字阀技术目前进入了快速发展期，雖然与国外在核心技术上还存在一定差距，但相比其他液压元件，却是差距较小的。因此，中国液压产业要想实现弯道超车，数字阀技术的发展与突破将是一个很好的方向。

参考文献

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