電動口罩全球專利技術分析

高利業 張秀麗

國家知識產權局專利局專利審查協作河南中心 河南鄭州 450046

近年來全球范圍內重污染天氣頻發，空氣中的PM2.5等細微顆粒吸入體內可在肺泡沉積并進入血液循環，會對人體產生非常嚴重的危害[1]。此外，部分具有傳染性的病毒和細菌等微生物，易通過呼吸道在人群中傳播，影響人們生命安全。目前，對于上述情況最簡單的防護方式就是佩戴口罩。但普通口罩若要滿足一定的過濾性，存在呼吸阻力過大的問題，容易導致佩戴者呼吸不暢，佩戴體驗較差。現有的電動口罩，不僅能夠滿足過濾性能，還能通過風扇等結構主動對佩戴者送風，讓佩戴者擁有較好的呼吸體驗。

1 電動口罩的結構及工作原理

電動口罩的全稱為電動送風口罩，主要由頭帶、硅膠面罩、負壓產生部件、過濾部件和呼吸閥等部件組成，負壓產生部件通常包括開關、帶有控制芯片的電路板、電池、電機和扇葉等部件，過濾部件通常包括可拆卸面板和濾芯。

電動口罩的工作原理類似于空氣凈化器，負壓產生部件啟動后，在靠近面部一側形成負壓，外接空氣通過過濾部件進入硅膠面罩內供佩戴者呼吸，負壓部件的存在使得佩戴者呼吸體驗更好，同時過濾部件具有常規口罩的過濾防護作用。

2 電動口罩相關專利技術分析

本文數據來源于智慧芽全球專利數據庫，基于“電動口罩”和“electric respirators”等關鍵詞以及“A62B18/02”、“A62B7/10”和“A41D13/11”等分類號進行檢索，共檢索到2868組相關專利，檢索截止時間為：2020年12月31日。此外，由于電動口罩相關專利數量較多，本文針對非醫療用電動口罩進行分析。

2.1 全球最早的電動口罩專利

全球范圍內最早的電動口罩是申請人WADE HAROLD于1917年9月11日申請的適用于潛水設備的呼吸裝置的改進，公開號為GB116424A。該專利中公開了一種供潛水員使用的呼吸裝置，在潛水員的頭盔和套管之間設置有電動風扇，以便在套管和頭盔之間產生呼吸空氣的循環，以促進潛水員的呼吸。該裝置可內置電池或外接電源。

2.2 全球范圍內電動口罩相關專利申請情況分析

如圖1所示，近20年內全球范圍內電動口罩專利申請量前10年內基本趨于平穩狀態，但2011年之后，隨著霧霾天氣以及全球范圍內空氣質量的下降，申請量基本是逐年增長趨勢，但由于專利申請公開時間相對申請日存在一定滯后性，2019-2020年的申請量暫時較低。

圖1 全球范圍內近20年專利申請趨勢

如圖2所示為全球范圍內電動口罩專利申請量排名前十的申請人均為在醫療保健、空氣凈化、個人防護用品領域的全球知名企業分別為3M創新公司、雷斯梅德有限公司、費雪派克醫療保健有限公司和皇家飛利浦電子股份有限公司等，它們具有厚重的技術積累并掌握著前沿的技術。

圖2 申請量排名前十的申請人及其申請量

3 電動口罩專利技術發展路線及展望

3.1 電動口罩專利技術發展路線

下圖4為全球范圍內公開的電動口罩相關的重點專利（均以公開時間統計），技術發展路線如下：

（1）佩戴方式的改進：從最初包覆整個頭部且需要有外部的氧氣源，逐漸發展為具有過濾系統的面罩式，再根據使用場景發展為個人戶外或特殊作業場所的口罩式，其改進主要基于制造技術、電機及電源技術的發展，以及電路系統的集成化，隨著用戶對形狀美觀、佩戴舒適性（如CA2010055A1、USH1360H1和WO2018086061A1等）、使用便捷等方面的需不斷改進。

（2）供電系統的改進：從最初的外接電源，攜帶非常不便，隨著電源技術的發展，使用具有小體積大容量的干電池，再到可充電電池；近年隨著太陽能電池板的成熟應用，2008年9月18日JP2008212603A首次公開通過太陽能板和存儲電池提供動力，國內太陽能電池板的成熟及低成本應用晚于國外，國內于2017年7月7日才公開了第一篇使用太陽能為鋰電池供電的電動口罩。隨著電機節電（WO03002205A1）、控制系統的智能化（如CN205671531U）以及呼出氣體的再利用發電（如CN206836303U）等技術發展與成熟應用，電動口罩的續航能力逐漸提升。

（3）過濾部件的改進：隨著材料制造技術、納米技術和超聲波等技術的發展，對濾芯結構及性能也不斷地提高（如DE2833219A1、WO2017131035A1和CN111821601A等），提高電動口罩的防塵、防霧霾以及病毒和細菌等微生物。此外，關于濾芯更換以及濾芯剩余壽命的指示等技術也在不斷地發展（如CA2090741A1和US2010294273A1等），也提高了電動口罩使用的便捷性和有效性。

（4）呼吸舒適性的改進：隨著傳感技術及智能控制技術的發展，電動口罩技術從最初簡單調節進氣量發展至對呼入空氣溫度進行散熱和加熱以使吸入空氣的溫度更合適（如WO1991003277A1）、感應人體呼吸特征調節合適的進氣量（CN205671531U）、設置導流通道讓使用者不會刺激鼻腔（CN107019855A）等，早在2008年日本還公開了用于運動的口罩（JP2008194092A）。

圖3 全球電動口罩相關專利隨時間推進的重點技術改進

3.2 電動口罩專利技術展望

根據智慧芽自動生成的電動口罩3D專利地圖（如圖4所示）分析，該領域內防護口罩、自我呼吸器、防護面具等申請量最多，技術也更為成熟；其次為濾芯和電池的可拆卸結構，便于更換濾芯、電池；佩戴更舒適的耳帶、硅膠面罩和主機的成型以及自動控制結構；以及呼吸器和電動口罩的微型控制系統。

圖4 電動口罩相關專利3D專利地圖

結合電動口罩相關專利3D專利地圖及消費者使用體驗綜合分析，未來電動口罩技術的發展方向主要有以下方面：

（1）持續提升用戶體驗。減小電動口罩整體重量以使佩戴更輕便；改進面罩形狀以使其與面部貼合更緊密保證防護效果；采用更加親膚的材質制作面罩使佩戴更舒適等。

（2）進一步提高產品性能。降低風機組件工作時聲音以減小佩戴電動口罩時的噪聲[2]；提高過濾部件與口罩主體之間連接結構的拆卸便利性及牢固性，以使濾芯的更換更加簡便和佩戴時過濾部件連接更牢固；增強電動口罩控制系統的智能性，降低使用功耗增強使用續航能力，以及可以根據佩戴者不同年齡人群、不同時段的呼吸進氣量（如走路時、跑步時或負重狀態）調整電動口罩的進氣量，滿足不同年齡段佩戴者的使用和佩戴者更多使用狀態正常呼吸進氣量。

（3）增強防護效果。提升濾芯過濾病毒、細菌、粉塵等不同類型不同大小的過濾能力。

（4）降低使用成本。延長濾芯的使用壽命，以及研發可重復利用的濾芯。

4 結語

雖然電動口罩技術已經誕生一百多年，但更多的是應用在醫療防護和煤礦等粉塵較多的行業中，用于個人日常防護的電動口罩仍屬于新興產品，價格處于較高水平，技術和性能也有待進一步提升。公眾選購時可從滿足防護等級、佩戴舒適度、工作噪聲、進氣量和續航能力等方面重點考慮[3]。此外，電動口罩雖然工作原理簡單，但在提升用戶體驗及產品性能方面還有很大的發展空間，本領域技術人員可以從其未來發展方向入手重點突破。

（*對本文貢獻等同于第一作者）