行星滾柱絲杠技術專利分析

田 青 孫 磊 郭亞星 姜 濤 鄭繼貴

1.北京精密機電控制設備研究所；2.中國航天系統(tǒng)科學與工程研究院

行星滾柱絲杠是一種由主絲杠、滾柱、螺母、齒圈、法蘭盤等組成，可實現(xiàn)直線運動與旋轉(zhuǎn)運動相互轉(zhuǎn)換的精密傳動機構，具有高承載、長壽命、抗沖擊、高可靠性等特點，應用于航空航天、新能源裝備、高精密機床、汽車、船舶與機器人等高端技術領域。基于行星滾柱絲杠在各個領域的重要地位，尤其是在航空航天領域廣泛應用，開展行星滾柱絲杠技術的知識產(chǎn)權分析研究具有較為重要的意義。

一、行星滾柱絲杠關鍵技術專利分析

行星滾柱絲杠技術包括行星滾柱絲杠設計研究、行星滾柱絲杠螺紋加工工藝研究、行星滾柱絲杠綜合性能測量方法等3 個關鍵技術。本文基于合享和德溫特專利數(shù)據(jù)庫進行全球?qū)＠麢z索，截止日期為2022 年3 月18 日。針對篩選后得到的專利數(shù)據(jù)進行專利宏觀分析，主要包括專利申請趨勢分析、專利技術構成分析、專利申請區(qū)域分布分析、專利申請人分析等內(nèi)容，得出各關鍵技術領域的專利布局現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。

1.專利申請趨勢分析

本文采用時序分析方法開展專利申請趨勢分析，通過研究專利申請量隨時間變化的情況,可從一定程度上反映技術的發(fā)展歷程、技術生命周期的具體階段，并可以預測未來一段時間的發(fā)展趨勢。行星滾柱絲杠技術方面相關專利自20 世紀40 年代便開始出現(xiàn)，1988 年以后的專利申請趨勢如圖1 所示：行星滾柱絲杠技術領域的專利申請量可劃分為2 個階段，即萌芽期（2009 年之前）和成長期（2010 年至今）。

圖1 專利申請趨勢圖

在萌芽期，每年的專利申請數(shù)量不超過15 項，且多數(shù)專利來源于日本、德國、法國、美國、中國、瑞士等國家，技術主要涉及行星滾柱絲杠總體結(jié)構設計技術、行星滾柱絲杠及螺母螺紋加工制造技術方面，主要申請人有日本豐田公司（TOYOTA）、德國舍弗勒技術公司、瑞典滾珠軸承制造公司（SKF）、日本精工株式會社（NSK）等。

在成長期，專利數(shù)量總體呈現(xiàn)快速增長趨勢，可分為2 個階段：第一階段系2015 年之前，專利數(shù)量增長動力主要來源于德國、瑞典、法國、日本等國家，技術主要涉及行星滾柱絲杠總體結(jié)構設計方面。第二階段系2016 年以后，中國專利數(shù)量的占總申請量比重逐年擴大，技術主要涉及行星滾柱絲杠總體結(jié)構設計、行星滾柱絲杠及螺母螺紋加工制造、行星滾柱絲杠副傳動精度及效率測量、剛度特性試驗等方面。

2.專利技術構成分析

行星滾柱絲杠技術共涉及行星滾柱絲杠設計研究、行星滾柱絲杠螺紋加工工藝研究、行星滾柱絲杠綜合性能測量方法3 個方面。各技術分支的專利申請情況如圖2 所示：行星滾柱絲杠設計研究方面的專利最多（497 項），占總申請數(shù)量的67.3%；行星滾柱絲杠螺紋加工工藝研究方面專利申請數(shù)量次之（153 項），占總申請數(shù)量的20.7%；行星滾柱絲杠綜合性能測量方法方面專利申請數(shù)量最少（89 項），占總申請數(shù)量的12.0%，針對專利申請量較少的技術仍需要開展持續(xù)的技術攻關。

圖2 各技術分支的專利申請情況

（1）行星滾柱絲杠設計研究方面專利構成分析

行星滾柱絲杠設計研究方面相關專利主要包括行星滾柱絲杠副總體結(jié)構設計技術、嚙合機理與接觸特性研究、靜剛度與變形研究、載荷分布與均載方法研究、摩擦機理與傳動效率研究。其中，行星滾柱絲杠副總體結(jié)構設計技術方面的專利數(shù)量最多，申請人主要來自德國、中國、日本、瑞典等國家及地區(qū)，如SKF 公司、豐田公司、NSK 公司、西北工業(yè)大學等。

（2）行星滾柱絲杠螺紋加工工藝研究方面專利構成分析

行星滾柱絲杠螺紋加工工藝研究方面專利，具體包括螺紋硬態(tài)車削工藝研究、螺紋磨削用砂輪—廓形修整及保持技術研究、深孔內(nèi)螺紋制造技術研究、大長徑比外螺紋制造技術研究。其中，深孔內(nèi)螺紋制造技術研究方面專利數(shù)量較多，技術主要涉及內(nèi)螺紋采用磨削、研磨、車削、銑削的加工方法及裝置，加工過程中磨削力預測、監(jiān)測方法及裝置方面。螺紋磨削用砂輪—廓形修整及保持技術方面專利相對較多，技術主要涉及螺紋磨削方法、磨削裝置、磨削補償裝置及方法方面。

（3）行星滾柱絲杠綜合性能測量方法方面專利構成分析

行星滾柱絲杠綜合性能測量方法方面專利具體包括內(nèi)外螺紋檢測技術研究、傳動精度測量試驗研究、剛度特性試驗研究、傳動效率測量試驗研究。傳動效率測量試驗研究和傳動精度測量試驗研究方面專利申請量較多，技術主要涉及測試裝置及方法，單項加載、雙向加載、變加載、綜合測試的裝置及測試方法等。

（4）關鍵技術專利申請趨勢

行星滾柱絲杠各關鍵技術分支的專利申請趨勢如圖3 所示。從圖中可以看出，近年來，行星滾柱絲杠副總體結(jié)構設計技術、螺紋磨削用砂輪—廓形修整及保持技術、深孔內(nèi)螺紋制造技術研究、傳動效率測量試驗研究方面的年申請數(shù)量較多且呈增長趨勢，是目前高精度行星滾柱絲杠副技術領域的熱點；嚙合機理與接觸特性研究、靜剛度與變形研究、載荷分布與均載方法研究、摩擦機理與傳動效率研究方面的專利均在近幾年出現(xiàn)，是目前高精度行星滾柱絲杠副技術領域的新興技術，但主要由中國相關研究機構申請。

圖3 各關鍵技術分支的專利申請情況

3.專利申請區(qū)域分析

行星滾柱絲杠技術領域的專利申請主要來自于中國、德國、日本、法國、瑞典等國家及地區(qū)，如圖4所示。其中，中國的專利申請量最多（325 項），占總申請數(shù)量的44%，且在各技術領域的專利申請數(shù)量均較多；在行星滾柱絲杠設計研究方面的專利申請數(shù)量僅少于德國，相較于其他國家及地區(qū)的專利數(shù)量具有一定數(shù)量優(yōu)勢。德國共申請了178 項專利，占總申請數(shù)量的24.1%，主要涉及行星滾柱絲杠設計研究方面，其次在行星滾柱絲杠螺紋加工工藝研究、行星滾柱絲杠綜合性能測量方法方面申請少量專利，其中在行星滾柱絲杠副總體結(jié)構設計方面具有極大的專利數(shù)量優(yōu)勢，在深孔內(nèi)螺紋制造技術研究、傳動精度測量試驗研究方面的專利數(shù)量相對較多。日本共申請68 項專利，占總申請數(shù)量的9.2%，在行星滾柱絲杠設計研究、行星滾柱絲杠螺紋加工工藝研究方面申請的專利數(shù)量較多，其中，在行星滾柱絲杠副總體結(jié)構設計、螺紋磨削用砂輪—廓形修整及保持技術、深孔內(nèi)螺紋制造技術研究方面具有一定專利數(shù)量優(yōu)勢。法國共申請43 項專利，占總申請數(shù)量的5.8%，專利均為行星滾柱絲杠副總體結(jié)構設計方面。瑞典共申請37 項專利，占總申請數(shù)量的5.0%，專利均為行星滾柱絲杠副總體結(jié)構設計方面。

圖4 專利區(qū)域來源分布情況

4.專利申請人分析

經(jīng)過統(tǒng)計分析，專利申請量排名前10 位的專利申請人如圖5 所示。從圖中可以看出，舍弗勒技術公司的專利申請數(shù)量較多（139 項），技術基礎雄厚，主要涉及行星滾柱絲杠副總體結(jié)構設計技術方面（133 項），其次是傳動精度測量試驗研究、深孔內(nèi)螺紋制造技術研究、大長徑比外螺紋制造技術研究方面；北京精密機電控制設備研究所共申請42 項專利，技術領域涉及較廣；SKF 公司共申請專利39 項，其中38 項涉及行星滾柱絲杠副總體結(jié)構設計技術方面，具體涉及標準式、循環(huán)式行星滾柱絲杠副結(jié)構設計以及載荷分布與均載方法研究方面。其他企業(yè)專利申請數(shù)量相當，在行星滾柱絲杠設計、螺紋加工工藝、綜合性能測量方法方面均有涉及。

圖5 主要專利權人排名

二、技術發(fā)展建議

從專利申請趨勢看，目前行星滾柱絲杠處于技術發(fā)展期，仍具有較大的自主創(chuàng)新研究空間，需要持續(xù)開展技術創(chuàng)新并進行專利布局。

從專利申請區(qū)域及專利申請人看，相關專利絕大多數(shù)為德國、中國、瑞典及日本主體申請，且近年來較多專利在中國進行申請，企業(yè)的國內(nèi)外競爭壓力都在增大，因此有必要在關鍵技術進行技術創(chuàng)新以防止技術侵權，也有必要構筑技術壁壘以保護自研技術。

從專利檢索情況來看，目前在行星滾柱絲杠螺紋加工工藝和綜合性能測量方法方面的專利數(shù)量相對較少，可見該技術方面具有較高創(chuàng)新性，具有較大的發(fā)展空間和創(chuàng)新空間，因此這些技術是主要技術創(chuàng)新研發(fā)方向。

從專利申請數(shù)量來看，載荷分布與均載方法研究、深孔內(nèi)螺紋制造技術研究、傳動效率測量試驗研究方面已存在多件處于有效狀態(tài)的相關專利，相關公司仍不斷進行專利布局，存在自研技術研發(fā)空間受限及侵權風險的情況，因此突出自研技術與其他專利技術的差異尤其重要。

相關企業(yè)應根據(jù)研發(fā)情況，著重在行星滾柱絲杠設計、螺紋加工工藝、綜合性能測量方法3 方面挖掘相關專利，以豐富行星滾柱絲杠技術方面的專利池，為產(chǎn)品市場銷售保駕護航。同時可在總體上采取攻防兼?zhèn)?、差異化的專利布局策略，強化在行星滾柱絲杠設計、螺紋加工工藝、綜合性能測量方法方面的專利挖掘及布局，以便對產(chǎn)品實現(xiàn)全方位保護，以防相似競品爭奪市場，對關鍵技術采用技術秘密方式保護。

三、結(jié)束語

在專利布局方面，德國、美國、日本、世界知識產(chǎn)權組織（WIPO）、歐洲專利局、法國和韓國可作為海外專利布局的重點地域，考慮到制造工藝類及測試類專利侵權的證據(jù)搜集極為困難，因此海外專利布局建議以結(jié)構類核心專利為主。結(jié)合自身已有專利情況，在企業(yè)精力或經(jīng)費有限的情況下，可按各關鍵技術優(yōu)先級順序選擇對應的技術領域進行專利申請。