JP2015073830A - 開閉具及び呼吸補助装置 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、開閉具及び呼吸補助装置に関する。
医療現場において、人工呼吸器などの呼吸補助装置が用いられている。一般的な呼吸補助装置は、酸素ボンベなどの酸素の供給源と、この供給源に接続された吸気管と、この吸気管の先端に取り付けられたマスクと、吸気管から分岐した呼気管と、この呼気管の先端に固定された呼気弁などを備えている（例えば、特許文献１〜４参照）。
このような呼吸補助装置には、自発呼吸のない患者（全身麻酔、心肺蘇生中、重篤な患者）に用いる調節換気（Controlled Ventilation）方式と、患者の自発呼吸に合わせて気道に陽圧（正圧）を作り出す補助換気（Assisted Ventilation）方式など、種々の方式が採用される。
いずれの方式の呼吸補助装置においても、酸素ボンベから送り出される酸素は、吸気管を経由して吸気として肺に供給される。肺に供給された酸素は、その後、肺によって呼気として吐き出される。呼気が呼気管に吐き出されると、呼気管内の圧力が上昇する。そして、制御ユニットは、呼気管内の圧力上昇を検知した圧力センサからのセンシング信号を受けて、呼気弁を開く。こうして、呼気が呼気管から外部へ放出される。
このような呼吸補助装置に用いられる呼気弁として、ダイヤフラム弁が知られている。このダイヤフラム弁は、呼気が通る孔（以下、呼気孔と称する）の開口部周縁に形成された弁座と、弁座により支持され呼気孔を塞ぐ位置及び弁座から離隔して呼気孔を開放する位置の間で移動自在な弁体とを備える。
このようなダイヤフラム弁の場合、呼気孔の全てが開いた状態（以下、開状態と称する）と、呼気孔の全てが閉じた状態（以下、閉状態と称する）と、の切り替えが可能であるものの、呼気孔の一部が開いた状態、すなわち開状態と閉状態との中間状態との切り替えが困難である。
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、開状態と閉状態とともにその中間状態との間で切り替えが可能な開閉具、およびこの開閉具を有する呼吸補助装置を提供することを目的とする。
本発明者の鋭意研究により、上記目的は以下の手段によって達成される。
本発明の開閉具は、流通孔が開口した仕切面を有する仕切部材と、前記流通孔の開閉を行う開閉機構と、を備え、前記開閉機構は、前記流通孔の開口面積が互いに異なる第１位置と第２位置との間で、前記仕切面に沿って移動自在であり、前記開閉機構の移動方向に直交する方向を幅方向と定義した際、前記幅方向における前記流通孔の開口長さは、前記第１位置から前記第２位置に向かって増大または減少することを特徴とする。
前記開閉機構が前記第１位置に位置する場合の前記流通孔の開口率が、前記開閉機構が前記第２位置に位置する場合に比べて小さく、前記開閉機構の移動方向における前記流通孔の開口長さの変化割合は、前記第２位置よりも前記第１位置のほうが小さいことが好ましい。
前記仕切部材には、前記流通孔が複数設けられていることが好ましい。また、前記開閉機構は、複数の前記流通孔を同時に閉じることが好ましい。
前記開閉機構は、前記第１位置と前記第２位置と第３位置との間で移動自在であり、前記第１位置は前記第２位置と前記第３位置との間に位置し、前記第１位置では前記流通孔が閉じ、前記第２位置及び前記第３位置では、前記流通孔が開いていることが好ましい。
また、前記第１位置から前記第３位置に向かう場合の前記流通孔の開口長さの変動プロファイルは、前記第１位置から前記第２位置に向かう場合の前記流通孔の開口長さの変動プロファイルと異なるこが好ましい。または、前記第１位置から前記第３位置に向かう場合の前記流通孔の開口長さの変動プロファイルは、前記第１位置から前記第２位置に向かう場合の前記流通孔の開口長さの変動プロファイルと同じであるとしてもよい。
前記開閉機構を保持するとともに自身の変形により前記開閉機構の移動を行う圧電素子と、前記圧電素子の変形を制御するコントローラと、をさらに備えたことが好ましい。また、圧電素子と、前記圧電素子の変形を制御するコントローラと、をさらに備え、前記圧電素子の一部分が前記開閉機構であることが好ましい。さらに、前記開閉機構の移動量は、前記コントローラから前記圧電素子へ入力された信号のレベルに応じていることが好ましい。
前記仕切面に沿って移動自在な開口面積調節部材をさらに備え、前記開口面積調節部材と前記開閉機構との間には、前記流通孔の一部が露出する隙間が形成されることが好ましい。また、前記開口面積調節部材は前記開閉機構と連結していることが好ましい。
本発明の呼吸補助装置は、上記の開閉具を有し、前記仕切部材は、鼻または口を覆うためのマスクと、装着状態のマスク内に形成される空間と連通する連通管とから形成されることを特徴とする。
前記マスクに前記流通孔が形成されたことが好ましい。また、前記連通管に前記流通孔が形成されていてもよい。そして、前記流通孔は、鼻または口から吐き出された呼気が通る呼気経路を形成することが好ましい。
上記の開閉具によれば、開状態と閉状態とともにその中間状態との間で切り替えが可能となる。また、このような開閉具は、呼吸補助装置における開閉具（例えば、呼気弁）にも適している。
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１には、本発明の第１実施形態に係る医療用の呼吸補助装置１０の構成が例示されている。この呼吸補助装置１０は、呼気孔１３ａ及び吸気孔１３ｂを有するマスク１３と、吸気孔１３ｂに挿入された吸気管１２と、吸気管１２に設けられ吸気用ガスを送り出す供給源１１と、マスク１３内の気圧を計測する気圧計１４と、マスク１３に設けられ呼気孔１３ａの開閉機構である呼気弁１５と、呼気孔１３ａの周囲に、呼気経路の外側に突出するように設けられた複数の安全部材１６と、装置全体を統括的に制御する制御ユニット１７と、を備えている。そして、マスク１３と呼気弁１５とによって開閉具が形成される。
マスク１３は、口及び鼻を覆う装着具であり、口及び鼻と、外部空間とを仕切るためもの（仕切部材）である。吸気管１２とマスク１３とは吸気孔１３ｂを介して連通する。吸気経路は、吸気管１２、吸気孔１３ｂ及びマスク１３によって形成され、呼気経路は、マスク１３及び呼気孔１３ａによって形成される。なお、マスク１３は、口または鼻のいずれか一方を覆う装着具であってもよい。
供給源１１は、空気や酸素などの気体を圧縮した状態で貯留したガスタンク１９と、このガスタンク１９から送り出される気体の流量を調整する調整弁２０と、この調整弁２０で調整された気体の流量を計測する流量計２１と、を備えている。調整弁２０は、気圧計１４および流量計２１のそれぞれのセンシングデータ（測定結果、センシング信号）に基づいて制御される。この調整弁２０は、特に種類が限定されることはないが、電動弁や、応答速度が速い電磁弁などを採用できる。流量計２１は、センシングデータを制御ユニット１７に出力する。
吸気管１２は、樹脂製の蛇腹チューブからなり、患者に装着されたマスク１３と一体となって一つの空間を構成し、供給源１１から送り出された気体の経路となる。この吸気管１２内の気圧は、定常状態において、患者に装着されたマスク１３内の気圧と一致する。気圧計１４は、センシングデータを制御ユニット１７に出力する。
図２に示されるように、呼気弁１５は、スリット状に形成された呼気孔１３ａの開閉によって、マスク１３内の気体をマスク１３外へ放出するとともに、その逆流を防止する逆止弁として機能する。板状の呼気弁１５は、電圧の印加量に応じて変位するピエゾ素子（圧電素子）１５ａを金属板１５ｂに積層したモノモルフ（ユニモルフ）構造であって、かつ、片持ち梁（カンチレバー）構造の弁である。さらに、呼吸補助装置１０は、呼気弁１５の一端をマスク１３に固定する固定部材２２を有する。固定部材２２は、マスク１３の内面１３ｆから起立するように設けられる。呼気弁１５の一端は、固定部材２２によって、内面１３ｆから起立した姿勢でマスク１３に固定される。呼気弁１５の片持ち長さは、３０ｍｍ以上４０ｍｍ以下程度であることが好ましい。呼気弁１５が変位するストロークは、２ｍｍ以上３ｍｍ以下であることが好ましい。なお、ピエゾ素子は、両持ち梁構造でもよい。
ピエゾ素子１５ａは、入力された電圧のレベルによって、延びた状態（図２（Ａ）参照）と、反った状態（図２（Ｂ）参照）との間で変形自在である。ピエゾ素子１５ａが反った状態では、呼気弁１５の側面１５ｍは、呼気孔１３ａの開口面上に位置する結果、呼気孔１３ａを塞ぐ状態となる。一方、ピエゾ素子１５ａが延びた状態では、呼気弁１５の側面１５ｍは呼気孔１３ａから外れる結果、呼気孔１３ａを開放する状態となる（図２（Ａ）参照）。こうして、呼気弁１５は、側面１５ｍに沿うピエゾ素子１５ａの変形によって、呼気孔１３ａを開放する状態と、呼気孔１３ａを塞ぐ状態との間で、切り替え自在となる。こうして、呼気弁１５は、ピエゾ素子１５ａの変形により、マスク１３に形成された呼気孔１３ａが開放される状態（以下、１と称する。）（図２（Ａ）参照）と、自身の側面１５ｍによって呼気孔１３ａが側面１５ｍによって塞がれる状態（以下、閉塞状態と称する。）（図２（Ｂ）参照）との間で遷移自在である。なお、呼気弁１５の側面１５ｍは、側面１５ｍに沿うピエゾ素子１５ａの変形により、内面１３ｆを摺動してもよい。また、内面１３ｆは平面でも曲面でもよい。
ピエゾ素子１５ａは、後述のとおり、電圧印加がオンの場合に反った状態であり、電圧印加がオフの場合に延びた状態となるも。なお、ピエゾ素子１５ａは、電圧印加がオンの場合に延びた状態であり、電圧印加がオフの場合に反った状態となるものでもよい。また、呼気弁１５としてモノモルフ構造を紹介しているが、勿論、２枚のピエゾ素子を貼り合わせたバイモルフ構造を採用することもできる。
図１に戻って、マスク１３の外部にある物体によって呼気孔１３ａが覆われた場合、呼気弁１５の作動によって、呼気経路を確保することができない。そこで、マスク１３に安全部材１６が設けられることが好ましい。安全部材１６は、マスク１３の外面１３ｇから突出するように形成され、呼気孔１３ａの近傍に点在するように配される。これにより、呼気孔１３ａの外面側１３ｇの開口面と呼気孔１３ａを覆う物体との間に隙間を形成することができるため、呼気弁１５の作動によって、呼気経路を確保することができる。
図３に示されるように、制御ユニット１７は、ＣＰＵ２４と、第１記憶媒体２５と、第２記憶媒体２６と、第３記憶媒体２７と、入力装置２８と、表示装置２９と、入出力インタフェース３０と、バス３１と、を備えている。
ＣＰＵ２４は、いわゆる中央演算処理装置であり、各種プログラムが実行されて本制御ユニット１７の各種機能を実現する。第１記憶媒体２５は、いわゆるＲＡＭ（ランダム・アクセス・メモリ）であり、ＣＰＵ２４の作業領域として使用される。第２記憶媒体２６は、いわゆるＲＯＭ（リード・オンリー・メモリ）であり、ＣＰＵ２４で実行される基本ＯＳを記憶する。第３記憶媒体２７は、磁気ディスクを内蔵したハードディスク装置、ＣＤやＤＶＤやＢＤを収容するディスク装置、および不揮発性の半導体フラッシュメモリ装置などで構成されており、ＣＰＵ２４で実行される各種プログラムなどが保存される。
入力装置２８は、入力キーやキーボード、マウスであり、各種情報を入力する。表示装置２９は、ディスプレイであり、各種動作状態を表示する。入出力インタフェース３０は、呼気弁１５を動作させる電源および制御信号が入出力される。更に、この入出力インタフェース３０は、外部のパーソナルコンピュータからプログラムなどのデータを取得する。バス３１は、ＣＰＵ２４、第１記憶媒体２５、第２記憶媒体２６、第３記憶媒体２７、入力装置２８、表示装置２９、入出力インタフェース３０などを一体的に接続して通信を行う配線となる。
図４には、この制御ユニット１７に保存される制御プログラムがＣＰＵ２４で実行されることで得られる機能構成が示されている。制御ユニット１７は、機能構成として、センシング部３４と、呼気弁制御部３５と、調整弁制御部３６と、を備えている。センシング部３４は、気圧計１４のセンシングデータを常に取得して呼気弁制御部３５に伝達するとともに、気圧計１４および流量計２１のセンシングデータを常に取得して調整弁制御部３６に伝達する。呼気弁制御部３５は、気圧計１４のセンシングデータを参照するとともに、このセンシングデータに基づいた制御信号をピエゾ素子１５ａに出力する。調整弁制御部３６は、気圧計１４および流量計２１のセンシングデータを参照して、このセンシングデータに基づいた制御信号を調整弁２０へ出力する。これにより、流量値を所定のものとすることができる。
次に、呼気弁１５及び呼気孔１３ａの詳細について説明する。
図５に示すように、呼気弁１５の先端部１５ｈ（図６参照）の移動量Ｍは、呼気弁制御部３５から出力された制御信号のレベル、すなわち入力電圧Ｖの大きさに正比例する。このため、入力電圧Ｖが増大するにしたがって呼気弁１５の先端部１５ｈは方向ＤＭ１へ移動し、入力電圧Ｖが減少するにしたがって呼気弁１５の先端部１５ｈは方向ＤＭ２へ移動する。
また、方向ＤＭ１に直交する方向を幅方向ＤＷと定義すると、呼気孔１３ａの幅方向ＤＷの長さＬＷは、方向ＤＭ１に向かうにしたがって小さくなる（図７参照）。
ここで、呼気孔１３ａ自体の開口面積をＳＭＡＸ、呼気孔１３ａのうち呼気弁１５に覆われていない部分の面積（開放面積）をＳ、呼気孔１３ａの開口率をＳ／ＳＭＡＸと表すと、呼気孔１３ａの開口率は、入力電圧Ｖが増大するにしたがって非線形に小さくなる（図８参照）。すなわち、図８のグラフの勾配は、負の値の範囲であって、かつ、入力電圧Ｖが増大するにしたがって大きくなる。
次に、呼吸補助装置１０の制御例について説明する。
まず、マスク１３が装着された口や鼻から呼気が吐き出された場合、マスク１３内の圧力が上昇する。マスク１３内の圧力が上昇すると、その上昇した値が気圧計１４によってセンシングされる。センシングデータは、制御ユニット１７に出力される。制御ユニット１７は、センシングデータに基づいて、呼気弁１５を制御する。すなわち、制御ユニット１７は、図９（Ａ）に示されるように、呼気弁１５を動作させ、呼気孔１３ａを開放する。呼気は、呼気孔１３ａからマスク１３の外部へ放出される。
マスク１３の外部への呼気の放出により、マスク１３内の圧力が下降する。マスク１３内の圧力が下降すると、その下降した値が気圧計１４によってセンシングされる。センシングデータは、制御ユニット１７に出力される。制御ユニット１７は、センシングデータに基づいて、呼気弁１５を制御する。すなわち、制御ユニット１７は、呼気弁１５を動作させ、呼気孔１３ａを塞ぐ。これにより、マスク１３内に閉空間が形成され、吸気動作が可能になる。
続いて、マスク１３が装着された口や鼻にて吸気が行われる場合、マスク１３内の圧力が下降する。マスク１３内の圧力が下降すると、その下降した値が気圧計１４によってセンシングされる。センシングデータは、制御ユニット１７に出力される。制御ユニット１７は、センシングデータに基づいて、供給源１１を制御する。すなわち、制御ユニット１７は、図９（Ｂ）に示されるように、調整弁２０を開き、ガスタンク１９から気体を吸気として送り出す。その後、マスク１３内の圧力が上昇する。マスク１３内の圧力が上昇すると、その上昇した値が気圧計１４によってセンシングされる。センシングデータは、制御ユニット１７に出力される。制御ユニット１７は、センシングデータに基づいて、供給源１１を制御する。すなわち、制御ユニット１７は、調整弁２０を閉じ、ガスタンク１９から吸気として気体が送り出されることを停止する。以後同様に、呼気動作と吸気動作とを繰り返す。
ここで、ピエゾ素子１５ａの変形方向が内面１３ｆから遠ざかる方向及び内面１３ｆへ近づく方向である場合には、マスク１３内外の圧力差によって生じる力の方向とほぼ平行となるため、マスク１３内外の圧力差によって生じる力によって、ピエゾ素子１５ａが変形しやすい。一方、上述の呼吸補助装置１０においては、ピエゾ素子１５ａの変形方向が内面１３ｆに沿うような向きとなるように呼気弁１５が配されるため、ピエゾ素子１５ａの変形方向は、マスク１３内外の圧力差によって生じる力の方向にほぼ垂直となる。この結果、マスク１３内外の圧力差によって生じる力によって、ピエゾ素子１５ａが変形しにくい。このように、呼気弁１５は、呼気孔１３ａからの圧力に抗するだけの剛性を有する。また、呼気弁１５そのものとしては、ピエゾ素子を用いればよいため、入手コストや加工コストの増大を回避することができる。さらに、このような構造の呼気弁１５は、開放状態と閉塞状態とともに、呼気孔１３ａの一部分が閉じられた中間状態と、の間で切り替えが可能となる。
図７に示すように、呼気孔１３ａの幅方向ＤＷの長さＬＷは、方向ＤＭ１に向かうにしたがって小さくなるため、呼気孔１３ａの開口率が小さい範囲では、呼気孔１３ａの開口率が大きい範囲に比べて、呼気孔１３ａの開口率の微調整を行いやすくなる。
また、図２に示すように、ピエゾ素子１５ａの変形方向が内面１３ｆに沿うような向きとなるように呼気弁１５が配されるため、ピエゾ素子１５ａの変形方向が内面１３ｆから遠ざかる方向及び内面１３ｆへ近づく方向である場合に比べ、ピエゾ素子１５ａの少ない変形量で、呼気孔１３ａの全開状態を得ることが容易となる。
さらに、呼気弁１５がピエゾ素子１５ａを有してなるので、呼気弁として電磁弁を採用する場合と比較して耐久期間が長く、壊れにくい。
このため、本発明を適用することで、睡眠時無呼吸症候群などの患者が在宅人工呼吸器として使用できる。
また、呼気弁１５は、ピエゾ素子１５ａに対する電圧の印加が解除されている時に呼気孔１３ａを開放する状態となるので、故障などによって呼気弁１５が作動しなくなった場合であっても、当該呼気弁１５は呼気孔１３ａを開放する状態となるため、呼気経路を確保できる。
そして、呼気弁１５がマスク１３に設けられているので、呼気動作に対する呼気弁１５の応答性が速く、患者への負担が少ない。
さらに、呼気弁１５がマスク１３内に設けられているので、呼気弁１５がマスク１３外にある物体と干渉することを回避できる。なお、呼気弁１５は、マスク１３の外面に設けられていてもよい。
上記実施形態では、図７に示すように、呼気孔１３ａの幅方向ＤＷの長さＬＷは、方向ＤＭ１に向かうにしたがって小さくなったが、本発明はこれに限られない。例えば、図１０に示すように、呼気孔１３ａの幅方向ＤＷの長さＬＷは、方向ＤＭ１に向かうにしたがって大きくしてもよい。この場合、図１１に示すグラフの勾配は、負の値の範囲であって、かつ、入力電圧Ｖが増大するにしたがって小さくなる。
また、図１２に示すように、方向ＤＭ１や方向ＤＭ２において、所定の間隔だけ離れた複数の呼気孔１３ａが、マスク１３に設けられてもよい。この場合、呼気弁１５は、複数の呼気孔１３ａの全てが開放された状態と、複数の呼気孔１３ａのうち一部が閉じられ残りが開放された状態と、複数の呼気孔１３ａの全てが閉じられた状態と、の間で切替自在となっている。また、図１２に示す複数の呼気孔１３ａについての長さＬＷは、いずれも方向ＤＭ１に向かうにしたがって大きい。この場合において、入力電圧Ｖと呼気孔１３ａの開口率と関係を示すグラフ（図１３参照）は、勾配が負の値の範囲、かつ入力電圧Ｖが増大するにしたがって小さくなる２つの部分Ｐ１、Ｐ３と、勾配が０である部分Ｐ２とを有する。そして、部分Ｐ２は、部分Ｐ１と部分Ｐ３との間に位置する。そして、部分Ｐ２となる入力電圧Ｖの範囲は、複数の呼気孔１３ａの間隔によって調節できる。
なお、図１２では、複数の呼気孔１３ａについての長さＬＷが、方向ＤＭ１に向かうにしたがって大きいとしたが、本発明では、複数の呼気孔１３ａについての長さＬＷは、いずれも方向ＤＭ１に向かうにしたがって小さいとしてもよい。
また、複数の呼気孔１３ａのうち一方（方向ＤＭ１において上流側に位置する呼気孔）の長さＬＷは、方向ＤＭ１に向かうにしたがって大きく、他方（方向ＤＭ１において下流側に位置する呼気孔）の長さＬＷは、方向ＤＭ１に向かうにしたがって小さい、としてもよい（図１４参照）。この場合において、入力電圧Ｖと呼気孔１３ａの開口率と関係を示すグラフ（図１５参照）は、勾配が負の値の範囲であって、かつ入力電圧Ｖが増大するにしたがって小さくなる部分Ｐ１と、勾配が負の値の範囲であって、かつ入力電圧Ｖが増大するにしたがって大きくなる部分Ｐ３と、部分Ｐ１と部分Ｐ２との間であって、勾配が０である部分Ｐ２とを有する。
このように、方向ＤＭ１に向かって長さＬＷが増大する、または減少するように、呼気孔１３ａの形状を設定することにより、開口率の制御の精度を、所定の電圧範囲ごとに個別に設定することができる。
上記実施形態では、開放状態となる先端部１５ｈの位置と閉塞状態となる先端部１５ｈの位置とが、方向ＤＭ１に向かってこの順に設定されていたが、本発明はこれに限られない。例えば、呼気孔１３ａが開放状態となる先端部１５ｈの第１開放位置（Ｖ＝ＶＡ 図１６（Ａ）参照）と、呼気孔１３ａが閉塞状態となる先端部１５ｈの閉塞位置（Ｖ＝ＶＢ 図１６（Ｂ）参照）と、呼気孔１３ａが開放状態となる先端部１５ｈの第２開放位置（Ｖ＝ＶＣ 図１６（Ｃ）参照）とが、方向ＤＭ１に向かってこの順に設定されていてもよい。また、呼気孔１３ａの形状は、幅方向ＤＷの長さＬＷが、方向ＤＭ１に向かって減少し、方向ＤＭ２に向かって増大するため、閉塞位置（図１６（Ｂ）参照）から第１開放位置（図１６（Ａ）参照）へ移動する場合と、閉塞位置から第２開放位置（図１６（Ｃ）参照）へ移動する場合とでは、開口率の変化のプロファイルが異なる。すなわち、異なった開口率の変化のプロファイルを持たせることができる。さらに、第１開放位置と第２開放位置との間に閉塞位置が設定される。このため、先端部１５ｈが閉塞位置にある状態においては、入力電圧Ｖの入力値を用いて、開口率の変化のプロファイルを選択することができる。
上記実施形態では、呼気孔１３ａの形状を、幅方向ＤＷに延びる軸において対称としたため、異なった開口率の変化のプロファイルを持たせることができるとしたが、本発明はこれに限られない。呼気孔１３ａの形状を、幅方向ＤＷに延びる軸において対称としてもよい。かかる場合には、同一の開口率の変化のプロファイルを２つ持たせることができる。
上記実施形態の開閉具は、変形可能な呼気弁１５の先端部１５ｈを開閉機構として用いたが本発明はこれに限られない。変形可能な呼気弁１５の先端部１５ｈに設けられた弁を開閉機構として用いてもよい。この場合の使用例としては、以下のものがある。通常時における呼気孔１３ａの開閉は、低電圧側、すなわち、第１開放位置と閉塞位置との間で行う。異常時、すなわち、何らかの異常によって高い電圧が入力された場合には、呼気孔１３ａを開放させることも可能になる。これにより、何らかの異常によって高い電圧が入力された場合であっても、呼気孔１３ａを閉塞させずに済む。
なお、本発明の開閉具は、図１８に示すような開閉具５０であってもよい。開閉具５０は、マスク１３と、変形部材５１と、呼気孔１３ａの開閉が可能な開閉機構５２と、呼気孔１３ａの開口面積を調節可能な開口面積調節部材５３と、を有する。
変形部材５１は、図２等に示した呼気弁１５に相当する。図１８に戻って、開閉機構５２は、変形部材５１に設けられるため、内面１３ｆに沿って呼気孔１３ａの上を移動自在となっている。さらに、開閉機構５２のうち内面１３ｆ側の面は、呼気孔１３ａの開口面を覆うことができる形状及び寸法である。このため、開閉機構５２は、呼気孔１３ａを開放する状態（図１８（Ａ）参照）と、呼気孔１３ａを閉塞する状態（図１８（Ｂ）参照）との間で移動自在である。
開口面積調節部材５３も、変形部材５１に設けられるため、内面１３ｆに沿って呼気孔１３ａの上を移動自在となっている。また、開口面積調節部材５３は、開閉機構５２と所定の間隔Ｇだけ離れている。間隔Ｇの大きさは、呼気孔１３ａの全部ではなくその一部が露出する程度のものであることが好ましい（図１９参照）。
次に、開閉具５０の作用を説明する。
図１８〜１９に示すように、開閉具５０は、呼気弁制御部３５からの入力電圧Ｖが増大するにしたがって、呼気孔１３ａの開口面全体が開放された状態（図１８（Ａ）参照）と、開口面積調節部材５３のみが呼気孔１３ａの一部を閉塞する状態（図１９（Ａ）参照）と、開閉機構５２及び開口面積調節部材５３の両方がそれぞれ呼気孔１３ａの一部を閉塞する状態（図１９（Ｂ）参照）と、呼気孔１３ａの開口面全体が閉塞された状態（図１８（Ｂ）参照）と、の間で順次切り替わる。そして、呼気弁制御部３５からの入力電圧Ｖが減少する場合、開閉具５０は、これと逆の順序で順次切り替わる。この結果、呼気孔１３ａの開口率と入力電圧Ｖと関係を示すグラフ（図２０参照）は、減少関数の部分Ｐ１、Ｐ３と、増大関数の部分Ｐ２とを有する。そして、開閉機構５２、開口面積調節部材５３の形状、呼気孔１３ａの形状、及び間隔Ｇによって、開口率の変化のプロファイルを適宜調節することができる。
上記実施形態では、開閉機構５２と開口面積調節部材５３とは離れていたが、本発明はこれに限られず、連結部材５５を用いて、開閉機構５２と開口面積調節部材５３とを直接連結してもよい（図２１参照）。さらに、開閉機構５２と開口面積調節部材５３とを、或いは、開閉機構５２と開口面積調節部材５３と連結部材５５と、それぞれ一体としてもよい。
また、上記実施形態では、１つの変形部材５１を用いて、開閉機構５２と開口面積調節部材５３との移動を行ったが、本発明はこれに限られず、１つの変形部材５１を用いて開閉機構５２の移動を行い、もう１つの変形部材５１を用いて開口面積調節部材５３の移動を行ってもよい。
なお、呼気弁１５を２つ用い、一方の先端部１５ｈ（図６参照）を開閉機構とするとともに、他方の先端部１５ｈ（図６参照）を開口面積調節部材としてもよい。
上記実施形態では、１つの呼気孔１３ａの幅方向ＤＷの長さＬＷを「開口長さ」としたが、本発明はこれに限られない。呼気孔１３ａがマスク１３に複数設けられる場合、それぞれの呼気孔１３ａの幅方向ＤＷの長さＬＷの合計を「開口長さ」としてもよい。
図２２には、第２実施形態に係る呼吸補助装置７０の構成が例示されている。呼吸補助装置７０は、供給源１１としてマイクロポンプ１００を備え、また、吸気経路としてマスク１３のみを備えている。すなわち、マイクロポンプ１００は、マスク１３に直接接続されている。このマイクロポンプ１００は、特許文献ＷＯ２００８／０６９２６６で提案されているものであり、図２３（Ａ）に示されるように、一次ブロア室１０１と、この一次ブロア室１０１の外側に形成された二次ブロア室１０２と、を備えている。
一次ブロア室１０１は、振動源となる圧電素子１０３と、この圧電素子１０３が固定されたダイヤフラム１０４と、このダイヤフラム１０４と共に空間を形成する振動枠１０５と、を備えている。振動枠１０５は、一次ブロア室１０１の内外で流体を移動させる開口１０６を有している。二次ブロア室１０２は、ダイヤフラム１０４側に吸入口１０７を有すると共に、開口１０６に対向するように吐出口１０８を有している。
以上のマイクロポンプ１００では、圧電素子１０３によってダイヤフラム１０４が共振すると、一次ブロア室１０１と二次ブロア室１０２との間で流体が移動し、これによる流体抵抗によって振動枠１０５が共振する。このダイヤフラム１０４と振動枠１０５との共振によって、吸入口１０７から流体が吸い込まれて、吐出口１０８から流体が放出される。
このマイクロポンプ１００は、気体を搬送するブロア用途に適しており、逆止弁を用いることなく搬送できる。マイクロポンプ１００は、外径が２０ｍｍ×２０ｍｍ×２ｍｍ程度の箱形状であって極めて小さいものの、入力正弦波を１５Ｖｐｐ（Volt peak to peak）で２６ｋＨｚとした場合で、最大約１Ｌ／分（静圧０Ｐａ時）の空気を搬送でき、また最大約２ｋＰａ（流量０Ｌ／分）の静圧を得ることができる。
一方、マイクロポンプ１００は、圧電素子１０３によるダイヤフラム１０４の振動で流体を搬送するから、搬送可能な流体の体積に自ずと限界があり、この静圧／流量特性も図２３（Ｂ）に示されるような直線を示す。すなわち、例えば約１ｋＰａの静圧を得る場合、流量は０．５Ｌ／分となる。
なお、入力正弦波のＶｐｐを１０や２０に変化させた場合、圧電素子１０３の振幅が変化するので、流量及び圧力を変化させることができる。すなわち、入力正弦波のＶｐｐを滑らかに変化させた場合には、流量及び圧力を滑らかに変化させることができる。あるいは、入力正弦波の周波数を変化させた場合、流量及び圧力を変化させることができる。すなわち、入力正弦波の周波数を滑らかに変化させた場合には、流量及び圧力を滑らかに変化させることができる。ただし、流量及び圧力には、圧電素子１０３の能力や部材の強度や耐久性によって上限がある。通常は定格のＶｐｐ及び周波数で使用される。
なお、ここでは１つの圧電素子１０３をダイヤフラム１０４に貼り付けたモノモルフ（ユニモルフ）構造を紹介しているが、勿論、２つの圧電素子を貼り合わせて振動量を増やすバイモルフ構造を採用することもできる。
尚、本発明の呼吸補助装置は、上記した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。また、上記した実施形態の構成要件を、可能な範囲で他の実施の形態に適用してもよい。
また、上記の開閉具は、呼気が通る孔の開閉のみならず、流体（気体や液体）が通る孔の開閉や、固体が通る孔の開閉にも適用可能である。
１０，７０ 呼吸補助装置
１１ 給源
１２ 気管
１２ａ 通気孔
１２ｆ 内面
１２ｇ 外面
１３ マスク
１３ｆ 内面
１５，４１，５１，６１，８１ 呼気弁
１５ａ ピエゾ素子
１５ｂ 金属板
１５ｍ 側面
５０ 開閉具
５１ 変形部材
５２ 開閉機構
５３ 開口面積調節部材
５５ 連結部材
１００ マイクロポンプ
Claims (16)
- 流通孔が開口した仕切面を有する仕切部材と、
前記流通孔の開閉を行う開閉機構と、を備え、
前記開閉機構は、前記流通孔の開口面積が互いに異なる第１位置と第２位置との間で、前記仕切面に沿って移動自在であり、
前記開閉機構の移動方向に直交する方向を幅方向と定義した際、前記幅方向における前記流通孔の開口長さは、前記第１位置から前記第２位置に向かって増大または減少することを特徴とする開閉具。 - 前記開閉機構が前記第１位置に位置する場合の前記流通孔の開口率が、前記開閉機構が前記第２位置に位置する場合に比べて小さく、
前記開閉機構の移動方向における前記流通孔の開口長さの変化割合は、前記第２位置よりも前記第１位置のほうが小さいことを特徴とする請求項１記載の開閉具。 - 前記仕切部材には、前記流通孔が複数設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の開閉具。
- 前記開閉機構は、複数の前記流通孔を同時に閉じることを特徴とする請求項３記載の開閉具。
- 前記開閉機構は、前記第１位置と前記第２位置と第３位置との間で移動自在であり、
前記第１位置は前記第２位置と前記第３位置との間に位置し、
前記第１位置では前記流通孔が閉じ、
前記第２位置及び前記第３位置では、前記流通孔が開いていることを特徴とする請求項１ないし４のうちいずれか１項記載の開閉具。 - 前記第１位置から前記第３位置に向かう場合の前記流通孔の開口長さの変動プロファイルは、前記第１位置から前記第２位置に向かう場合の前記流通孔の開口長さの変動プロファイルと異なることを特徴とする請求項５記載の開閉具。
- 前記第１位置から前記第３位置に向かう場合の前記流通孔の開口長さの変動プロファイルは、前記第１位置から前記第２位置に向かう場合の前記流通孔の開口長さの変動プロファイルと同じであることを特徴とする請求項５記載の開閉具。
- 前記開閉機構を保持するとともに自身の変形により前記開閉機構の移動を行う圧電素子と、
前記圧電素子の変形を制御するコントローラと、をさらに備えたことを特徴とする請求項１ないし７のうちいずれか１項記載の開閉具。 - 圧電素子と、
前記圧電素子の変形を制御するコントローラと、をさらに備え、
前記圧電素子の一部分が前記開閉機構であることを特徴とする請求項１ないし８のうちいずれか１項記載の開閉具。 - 前記開閉機構の移動量は、前記コントローラから前記圧電素子へ入力された信号のレベルに応じていることを特徴とする請求項８または９項記載の開閉具。
- 前記仕切面に沿って移動自在な開口面積調節部材をさらに備え、
前記開口面積調節部材と前記開閉機構との間には、前記流通孔の一部が露出する隙間が形成されることを特徴とする請求項１ないし１０のうちいずれか１項記載の開閉具。 - 前記開口面積調節部材は前記開閉機構と連結していることを特徴とする請求項１１記載の開閉具。
- 請求項１ないし１２のうちいずれか１項記載の開閉具を有し、
前記仕切部材は、鼻または口を覆うためのマスクと、装着状態のマスク内に形成される空間と連通する連通管とから形成されることを特徴とする呼吸補助装置。 - 前記マスクに前記流通孔が形成されたことを特徴とする請求項１３記載の呼吸補助装置。
- 前記連通管に前記流通孔が形成されたことを特徴とする請求項１４記載の呼吸補助装置。
- 前記流通孔は、鼻または口から吐き出された呼気が通る呼気経路を形成することを特徴とする請求項１３ないし１５のうちいずれか１項記載の呼吸補助装置。
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