基于专利分析的色粉静电成像数字印刷技术发展的研究
何高升1,李 艳2,3
(1.北京人民电器厂有限公司,北京102600;2.北京印刷学院机电工程学院,北京102600;3.北京印刷学院数字化印刷装备北京市重点实验室,北京102600)
摘 要： 静电成像数字印刷技术在印刷品质上的优势使其成为商业数字印刷中的主力,其中色粉静电成像技术在静电成像数字印刷技术的发明和发展中占有重要的地位,为了研究色粉静电成像技术的起源、发展及未来发展预测,从专利技术出发,以代表技术、代表产品及代表产品核心专利为引导,通过“国家知识产权局”专利检索平台从1938年至2018年间全部色粉静电成像技术相关美国专利的检索及色粉静电成像数字印刷设备主要制造企业产品发展历程的研究,在分析色粉静电成像技术发明、发展过程中的代表产品及其专利技术的基础上,总结了色粉静电成像数字印刷技术的发展历程,提出了基于TRIZ技术进化理论的生命周期预测。
关键词： 数字印刷;色粉静电成像;专利;TRIZ;技术进化;生命周期预测
1 引言
目前,数字印刷领域以静电成像和喷墨成像两大核心技术为主,静电成像数字印刷技术因其在印刷品质上与胶印的接近,成为生产型数字印刷的主力,其中色粉静电成像技术应用更加广泛。[1]技术的发展一定伴随着专利的申请,色粉静电成像数字印刷技术从1938年美国物理学家兼律师切斯特.卡尔逊(Chester Carlson)发明静电复印工艺(静电成像技术)至今的81年中,[2]大量关于静电成像数字印刷技术专利被申请,通过在知网、EI、SCI检索平台对色粉静电成像数字印刷技术相关文献的检索阅读,归纳色粉静电成像技术主要关键字,以近义关键字分组,在“国家知识产权局”专利检索平台上进行了检索及技术领域统计,得出了色粉静电成像技术相关IPC分类号和所属分类号专利数量,如表1和图1,通过代表性专利的校验检索,发现使用中文信息检索存在漏检现象,只有使用英文信息才能确保检索齐全性,通过对表1中IPC分类号下不同英文关键词检索及代表专利校验和代表申请人校验,得出了色粉静电成像技术进一步研究用专利检索方案,如表2。[3]
表1 色粉静电成像技术关键字及专利技术领域分类统计
图1 色粉静电成像专利技术领域分类统计
表2 色粉静电成像技术专利检索方案
2 色粉静电成像数字印刷技术原理
色粉静电成像数字印刷技术的核心是光导体的光导特性,即光导材料在黑暗环境中为绝缘体,在一定的光照条件下电阻值下降成为具有一定导电能力的导体,静电成像数字印刷机在黑暗环境下对光导体进行充电,然后利用载有图文信息的光束扫描光导材料对其曝光形成静电潜影,光导体成像面的曝光和不曝光将产生电位差,利用与静电潜影有一定电位差的墨粉与静电潜影之间的静电吸引力将墨粉转移到光导滚筒上,通过对纸张进行电晕处理使其与光导滚筒上显影墨粉有一定的电位差,进而形成静电吸引力,再借助于热和压力作用,使墨粉转移到承印物上形成稳定的影像,完成图文的印刷,色粉静电成像数字印刷技术原理如图2。[1,4,5,6]
图2 色粉静电成像数字印刷技术原理
3 色粉静电成像技术的发明
1938年,切斯特.卡尔逊(Chester Carlson)发明了静电成像技术,并复制出“ARTORIAl0—22—38”这一小段文字,如图3。1939年4月4日,公开号为US2297691A的专利代表着静电成像技术的发明,专利US2297691A共有权利要求27项,专利中,卡尔逊对静电成像技术中的充电、曝光、显影、转印进行了详细的描述,专利附图如图4,1940年底施乐公司的前身“Haloid”公司购买了卡尔逊的技术并展开了商业开发。[7]
表3 US2297691专利信息
图3 第一张静电复印搞
图4 专利US2297691主附图
4 色粉静电成像技术的发展
“Haloid”公司在距卡尔逊发明静电成像技术10后的1948年开发出了静电成像新工艺,标志着静电成像的商业化应用开发成功,在此期间,“Haloid”共申请了20 项专利,1950年,“Haloid”公司推出世界上第一台复印机“Model A”,专利US2600580A对此作了整体的技术公开,专利共有权利要求9项,专利中对“Model A”的复印过程和结构做了详细的公开,专利主附图如图5,“Model A”复印一页需要2-3分钟,使用一种专用复印纸。[1,2,5,8]
1962年,施乐“914”普通纸复印机推出,开创了普通纸复印技术,同时复印速度也有了提升,每分钟复印6页,如图8。专利US2945434A对“914”复印机技术进行了较为全面的公开,专利共有权利要求7项,专利中对走纸系统、传动系统、扫描系统、充电系统、曝光系统、显影系统、转印系统及电控系统做了较为详细的公开,专利主附图如图6。[1,2,5,8-11]
图5 专利US2600580A主附图
图6 专利US2945434A主附图
本文依据课题组已有项目研究数据和合作企业生产实际，并结合查阅文献和产区调研信息，建立了黄芩的无公害栽培技术体系，主要包括基于GMPGIS系统辅助基地选址，结合土壤复合改良措施整地、良种选择、合理施肥、病虫害综合防治等关键技术，可指导黄芩的无公害生产。
1975年施乐推出世界上第一台普通纸彩色复印机“6500”,专利US3869203A对整体设备进行了技术公开,专利主附图如图8,专利US3754821A对显影系统的调节做了较为全面的技术公开,专利US3804619A对彩色显影技术进行了较为全面的公开,专利US3799668A对扫描系统进行了较为全面的技术公开,专利US3815988A对光导体表面静电潜像电位检测进而控制墨粉沉积密度进行了全面的技术公开,专利US3951533A对彩色原稿扫描成像做了技术公开。[1,2,5,8-12]
图7 专利US3784297A主附图
图8 专利US3804619A主附图
1995年施乐推出世界上速度最快的彩色复印机 “Doucolor4040”,施乐“Doucolor4040”集成了多项核心专利,如表4,从核心专利分析可知,当时施乐的主要研发方向已经从基本机构、基本原理及功能方面转向了色彩再现控制、印刷精度提升、速度提升及印刷管理等方面,也代表着色粉静电成像数字印刷关键技术趋于成熟。[3,8-12,14]
打印机的快速发展一方面得益于微型计算机的发展,更得益于Adobe在1985年Postscript页面描述语言的发明,其专利号为US4837613A,专利主附图如图10。[16]
图9 专利US4031519A主附图
《造纸信息》为国内外公开发行(刊号：ISSN1006-8791、CN11-3667/TS)，月刊，每月10日出版。全彩色大16开，另附彩色及专色广告。国内定价：纸质版25元/期，电子版25元/期，纸质版+电子版40元/期；国外及港澳台地区：纸质版25美元/期，电子版25美元/期，纸质版+电子版40美元/期。
图10 专利US4837613A主附图
2000年施乐推出了基于多项专利技术的应用或衍生应用的“Docucolor2000”系列,核心专利如表5,2002年施乐又推出智能高效的“Smartpress”技术,核心专利如表6。[8]
伴随着1959年施乐“914”的推出的是施乐大量的专利申请,专利对技术的限制一度使施乐成为了复印机领域的独霸者,直到1970年施乐大量核心专利到期,才给其他公司以机会,其中佳能于1970年推出了“佳能NP-1100”黑白复印机,专利US3784297A对佳能“NP-1100”黑白复印机进行了较为全面的技术公开,其中共有权利要求7条,专利中对供纸系统、走纸路线、光导滚筒支撑及传动系统、原稿扫描系统、整机传动系统、显影系统、墨粉供给系统、光导滚筒清理系统等做了详细的阐述,专利主附图如图7。[1,2,5,8-11]
图11 专利US4780731A主附图
2002年到2010年间制造商推出大量提高色粉静电成像质量的技术及生产型数字印刷设备,如表4-4。2010年后,色粉静电成像技术领域发展变缓,包括施乐在内的一些原本主要从事色粉静电成像技术的企业不断转向喷墨成像技术领域。通过上述对1938年至2018年色粉静电成像技术专利及代表设备的研究,总结色粉静电成像技术的发展历程,如图13。[9,15-17]
随着计算机技术的发展,打印机成为继复印机之后另一个广泛需求的图文输出设备,1975年IBM推出世界上第一台激光打印机“IBM3800”,主要用于打印连续表格,专利US4031519A对其结构特别是各功能模块及流程进行了全面的公开,专利主附图如图9。[1,2,5,8-12]
1.2.2 纳入研究的产妇治疗前签署知情同意，并进行生物反馈训练 将食指和中指进入阴道，指腹贴住阴道后壁后穹隆后再退后2 cm。嘱产妇收缩阴道，感觉阴道壁紧紧包绕二指，反复3次。然后进行盆底功能康复治疗，采用加拿大VISHEE瑞翼盆底肌电生物反馈仪和法国PHENIX系列神经肌肉刺激治疗仪USB4结合治疗，对于不同的产妇盆底情况，适当调整治疗方案。1个疗程共治疗15次，前6次每天治疗，后9次隔天治疗1次，然后对产妇盆底肌力治疗前后进行比较。
图12 专利US5081595A主附图
表4 “Docuolor4040”核心代表专利
激光在静电成像技术发展的早期被用于曝光光源,但随着静电成像技术的进步,传统固体或气体激光器的体积大、结构复杂、效率低、价格高等因素制约了静电成像技术的发展,LED光源的高效率、小体积、低成本特性正好弥补了传统激光器在静电成像技术中的一系列问题,成为静电成像技术曝光光源的一个优选方案,1988年,专利US4780731A中西门子第一次全面公开了LED曝光光源技术,专利主附图如图11。[3,8-12]
表5 “Docucolor2000”系列核心代表专利
表6 “Smartpress”技术核心代表专利
1990年施乐推出了世界上第一台生产型黑白数码印刷机“DocuTech135”,标志着色粉成像数字印刷技术进入商业印刷领域,其印刷速度为每分钟135页,专利 US5081595A对“DocuTech135”高速印刷系统进行了全面的公开,特别对给纸及数据处理进行了阐述,专利主附图如图12。[3,8-12]
表7 2002年后色粉静电成像技术代表设备
图13 色粉静电成像技术发展历程
5 色粉静电成像技术的未来发展趋势
专利申请数量是技术发展方向的晴雨表,相关专利申请量检索结果的精确度决定了研究的正确性,专利检索结果的精确度在检索平台一定的情况下检索方案是一个重要影响因素,通过上述专利检索发现,表2中给出的检索方案范围宽泛,能够保证检索的齐全性,但在专利申请量统计检索中会带入一定的非相关专利数量统计,通过对数字印刷技术发展成熟前的2005年至2010年间,申请号为“US”,IPC 分类号为 “B32B、B44C、B41F、B41J、B41L、 B41M、 C09D、 C09J、 C08L、 G02F、 G03G、G06F、G06K、G09F”条件下对不同关键字的检索发现,关键词“Electrostatic imaging”相关性最高,专利数量最大,以 “Electrostatic imaging”为关键词进一步检索发现,“XEROX(包括 FUJI XEROX)”“CANON”“EASTMAN KODAK”“RICOH”专利申请量最大,综合上述分析得出色粉静电成像数字印刷技术专利数量统计检索方案,如表8。使用“国家知识产权局”专利检索平台按表8进行高级检索,检索结果统计数据如表9,根据检索数据建立色粉静电成像技术专利数量堆叠折线图,如图14,[21-22]引入TRIZ技术进化理论中进化曲线和专利数量分析曲线,如图15和图16,对比分析可得,色粉静电成像技术在1978年进入成长期,1986年开始进入成熟期,在2012年开始进入衰退期。[20-24]
表8 色粉静电成像技术专利检索方案
表9 1938-2018色粉静电成像技术专利申请数量
图14 色粉静电成像技术专利数量分布
图15 色粉静电成像技术S曲线
6 结论
基于专利对静电成像技术的起源,色粉静电成像技术的发明、发展及色粉静电成像技术的未来发展进行了研究,专利是技术发展的历史见证,静电成像技术从专利US2297691的申请开始伴随着专利的不断申请而发展、成熟,引入TRIZ技术进化理论,从专利检索数据可得,色粉静电成像数字印刷技术经过60年的发展已进入生命周期中衰退期,新的成像技术必将代替色粉静电成像技术。
3月4日，还是发生了所有人不愿看到的事情，雨果在多次撞击水池的墙壁之后，突然身子一转，肚皮朝上，没有了呼吸和心跳，尽管工作人员采取了急救措施，但还是没能救活雨果。尸检结果显示，雨果死于脑动脉瘤造成的多处动脉破裂。
柑橘施肥应根据土壤、品种、肥水管理措施等，采取测土和叶面营养诊断相结合的方式进行。测土是科学施肥的基础，叶面营养诊断是柑橘等果树科学施肥的必要补充。随着氮、磷、钾这三要素肥料的大量使用，果园土壤有效中量元素（钙、镁、硫）和微量元素（锌、铜、铁、钼、锰、硼）的失衡日趋严重。合理施用中、微量元素肥料，不仅可有效提高柑橘的抗逆能力、稳定产量，主要能改善柑橘的品质，如含硫肥料在提高柑橘的品质和风味上起到不可低估的作用。
图16 技术成熟度预测曲线(专利数量)
在专利检索及代表性企业的研究中发现,一些原本在色粉静电成像技术领域的引领型企业不约而同的开始了喷墨成像技术的研发,兰达纳米喷墨技术的提出及喷墨头MEMS制造技术的不断成熟意味着新一代喷墨成像技术会成为数字印刷技术的未来,未来在该领域专利的申请情况一定会给出确切的答案。
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Study on the Development of Toner Electrostatic Imaging Digital Printing Technology Based on Patent Analysis
HE Gaosheng1,LI Yan1,2
(1.Beijing People's Electric Co.,Ltd.,Beijing 102600,China;2.School of Mechanical Engineering of Beijing Institute of Graphic Communication,Beijing 100080,China;3.Beijing Municipal Key Laboratory of Digital Printing Equipment,Bejing 100080,China)
Abstract： The advantages of electrostatic imaging digital printing technology in printing quality make it the main force in commercial digital printing.Among them,the toner electrostatic imaging technology plays an important role in the invention and development of toner digital printing technology.In order to study the origin,development and future development prediction of toner electrostatic imaging technology,starting from patent technology,it is guided by representative technology,representative products and core patents of representative products.Searching the US Patent witch from 1938 to 2018 through the“NATIONAL INTELLECTUAL PROPERTY ADMINISTRATION,PRC” patent search platform,and studying the development history of the main manufacturing enterprises of toner electrostatic imaging digital printing equipment.Based on the analysis of representative products and patented technologies in the invention and development of toner electrostatic imaging technology,The development history of toner electrostatic imaging digital printing technology is summarized,and the life cycle prediction based on TRIZ technology evolution theory is proposed.
Key words： digital printing;toner electrostatic imaging;patents;TRIZ;technology evolution;life cycle prediction
中图分类号： TS875
文献标志码： A
文章编号： 1004-8626(2019)09-0088-09
收稿日期： 2019-06-08
(责任编辑：周卓)
标签：数字印刷论文; 色粉静电成像论文; 专利论文; triz论文; 技术进化论文; 生命周期预测论文; 北京人民电器厂有限公司论文; 北京印刷学院机电工程学院论文; 北京印刷学院数字化印刷装备北京市重点实验室论文;