JP2016537100A - 非円形の重心に取り付けられた呼気弁を有する呼吸マスク - Google Patents

Abstract

マスク本体１２及びハーネス１６を有する呼吸マスク１０は、弁座３６及び可撓性フラップ４２を含む呼気弁２３を有する。弁座３６は、オリフィス３８を有し、オリフィス３８を囲む非円形封止面４０を有する。可撓性フラップ４２は、オリフィスの重心で弁座３６に固定され、可変剛性構造を有する。可変剛性構造は、フラップが非円形封止面の重心から異なる距離で所与の負荷下で等しく偏向することを可能にする。この構築物を有する呼気弁は、弁空間が限定され得る適用での圧力降下及び全体的な弁性能を有利に最適化され得る。【選択図】図１

Description

本発明は、呼気弁が非円形の重心に取り付けられた可撓性フラップを有する呼吸マスクに関する。

汚染環境で働く人々は、通常、気中浮遊汚染物質の吸入から身を守るために呼吸マスクを着用する。呼吸マスクは、典型的には、空気中の微粒子及び／又はガス状汚染物質を除去することができる繊維フィルタ又は吸着フィルタを有する。汚染環境下で呼吸マスクを着用する場合、着用者は、自身の健康が守られていると分かり安心するが、着用者の顔の周りに蓄積する暖かく湿った呼気によって同時に不快感を覚える。この顔の周りの不快感が大きいほど、この不快な状況を緩和するために、着用者が呼吸マスクを顔から取り外す機会が多くなる。このようなことが起こる可能性を低減するために、呼吸マスク製造業者は、多くの場合、マスク本体に呼気弁を取り付けて、暖かく湿った呼気がマスク内部から迅速に取り除かれるようにする。呼気の迅速な除去は、マスク内部をより涼しくし、次いで、労働者の安全のためになる。

長年にわたって、市販の呼吸マスクは、「ボタン式」呼気弁を使用して、呼気をマスク内部から取り除いている。ボタン式弁は、典型的には、呼気を内部気体空間から逃がす動的機械要素として、薄い円形の可撓性フラップを使用している。この円形フラップは、中央ポストを解して弁座の中央に取り付けられている。ボタン式弁の例は、米国特許第２，０７２，５１６号、同第２，２３０，７７０号、同第２，８９５，４７２号、及び同第４，６３０，６０４号に示されている。人が息を吐くと、その空気が内部気体空間を迅速に通過して外部気体空間に入ることができるように、フラップの周辺部分が弁座から持ち上げられる。

ボタン式弁は着用者の快適性を改善する試みにおいては進歩を示しているが、研究者らは別の改善を行っており、その例が、米国特許第４，９３４，３６２号（Ｂｒａｕｎ）に示されている「バタフライ式」弁である。Ｂｒａｕｎの特許に記載される弁は、放物線状の弁座、及びバタフライ様に取り付けられた細長い可撓性フラップを使用する。

Ｂｒａｕｎによる開発後、呼気弁技術分野において別の考案がＪａｐｕｎｔｉｃｈらによりなされた（米国特許第５，３２５，８９２号及び同第５，５０９，４３６号参照）。Ｊａｐｕｎｔｉｃｈらの弁は、中心から外れて片持ち方式で取り付けられた単一の可撓性フラップを使用して、弁を開くのに必要とされる呼気圧を最小限に抑えた。弁開放圧力が最小限に抑えられると、弁を操作するのに必要とされる力はより少なくなり、これは、呼吸時に着用者が呼気をマスク内部から排出するのにそれほど労力をかける必要がないことを意味する（米国特許第７，４９３，９００号（Ｊａｐｕｎｔｉｃｈら）も参照）。

Ｊａｐｕｎｔｉｃｈらの弁の後に導入された他の弁は、片持ち方式で取り付けられたフラップも使用している（米国特許第５，６８７，７６７号及び同第６，０４７，６９８号参照）。更に別の開発では、弁座の封止面は、より薄いがより剛性の高いフラップの使用が許容される弾力材から作製されており、これにより弁効率が改善されている（米国特許第７，１８８，６２２号（Ｍａｒｔｉｎら）参照）。

呼気弁設計の進化が弁座に対する構造変化及び弁座に対するフラップの取り付けを中心としているが、研究者らは、弁性能を向上させるために、フラップ自体にも構造変化を加えている。米国特許第７，０２８，６８９号及び同第７，０１３，８９５号（Ｍａｒｔｉｎら）では、より薄くより動的なフラップを作成するために、多層がフラップに導入されており、これにより、より少ない圧力下で弁がより容易に開くことを可能にする。また、優れた性能を提供するために、リブ及び事前に曲げられた非均一の構成もフラップ構築物に提供されている（米国特許第７，３０２，９５１号（Ｍｉｔｔｅｌｓｔａｄｔら）参照）。米国特許公開第２００９／０１３３７００号（Ｍａｒｔｉｎら）では、弁性能を改善するために、溝がヒンジで弁フラップ内に提供されている。更に、米国出願公開第２０１２／０１６７８９０Ａ号（Ｉｎｓｌｅｙら）では、望ましい弁性能を達成するために、選択された領域でフラップが除去されている。フラップは光学フィルムからも作製されており、これは、使用者が適切な弁動作を容易に検出することができるように、フラップを光らせるものである（米国特許出願第６１／８４６４５６号（Ｍａｒｔｉｎら）参照）。

呼吸マスクの設計は、様々な形状及び構成になっており、この設計は多くの場合、フィルタカートリッジ及びマスク本体上に定置される任意の呼気弁の配向及び配置に影響される。例えば、片持ち弁は通常、マスク本体上に垂直に配向され、フラップの自由端が下を向いている。そのように配向されなければ、呼気が使用者の保護メガネを曇らせる場合がある。それ故に、高性能呼気弁の弁設計は、マスク本体の設計に制約を課す場合がある。垂直配向を必要とすることなく片持ち弁のように非常に優れた弁性能を提供することができる新たな弁は、弁設計における制約を緩和する助けとなり得る。以下に記載される本発明は、そのような弁を提供するために作り出されたものである。

本発明は、
（ａ）オリフィスを有し、そのオリフィスを囲む非円形封止面を有する弁座と、
（ｂ）オリフィスの重心で弁座に固定され、可変剛性構造を有する可撓性フラップと、を備える、呼気弁を提供する。

本発明は、
（ａ）ハーネスと、
（ｂ）呼気弁を備えるマスク本体とを備える呼吸マスクであって、その呼気弁が、
（ｉ）オリフィスを有し、そのオリフィスを囲む非円形封止面を有する弁座と、
（ｉｉ）オリフィスの重心で弁座に固定され、可変剛性構造を有する可撓性フラップと、を含む、呼吸マスクも提供する。

本発明は、本発明の弁が可変剛性構造を有し、これにより非円形の中心に取り付けられた弁のフラップが本質的にフラップ周囲に沿ったいずれの点でも等しく偏向されることが可能となるという点で、既知の呼気弁とは異なる。そのように等しく偏向する能力は、弁がフラップ周囲全体から自由かつ容易に開くことを可能にする、すなわち、周囲の周りのいずれの点でも本質的に同じ力で弁座からフラップが持ち上げられる。この可変剛性構造は、使用者が息を吐いていないときはいずれの配向下でも弁が閉鎖したままに保つ一方で、同時に、息を吐いている間は弁を開くのに必要な最小限の力を提供するように作り上げられてもよい。特に着用者が激しい活動中であるときは、呼気圧の軽減により着用者の快適性が増大する。そして、上述のように、より低い呼気圧は、着用者が使用中に顔から呼吸マスクを取り外す可能性を低減させることにより、着用者の安全性を改善する。それ故に、本発明は、労働者の安全性を向上することができる一方で、弁及び呼吸マスクが様々な形状及び構成に作り上げられることも可能にする。弁は、様々な配向でマスク本体に取り付けられ得る。それ故に、本発明は、呼気弁及び呼吸マスクの設計ウィンドウを拡大することができ、呼吸マスク着用者が必要とする非常に優れた性能を提供するという付加利益も有する。

用語の説明
以下に説明される用語は、以下に定義された意味を有するものとする。
「整列要素」とは、部品であって、その部品と関連付けられる装置が使用中に常に適切な配向になることを確実にする助けとなる部品を意味する。
「清浄な空気」とは、濾過によって汚染物質が除去されたある容量の大気中の周囲空気を意味する。
「重心」とは、可変剛性構造を有するか、又は有しない、質量の中心を意味する。
「含む（又は含んでいる）」とは、特許専門用語において標準であるその定義を意味し、「備える」、「有する」、又は「含有する」とほぼ同義であるオープンエンド型の用語である。「含む」、「備える」、「有する」、及び「含有する」、並びにこれらの変形は、一般的に使用される制約のない用語であるが、本発明は、「から本質的になる」などのより狭義の用語を使用して好適に記載される場合もあり、これは、用語が関連する主題の性能に対して悪影響を及ぼすもの又は要素のみを除外するという点で、制約のない用語に準ずる用語である。
「等しく偏向する」とは、以下に示されるフラップ偏向試験に従って試験された場合、より高い負荷で可撓性フラップをその位置で偏向させるために及ぼされる力と、より低い負荷でそのフラップをその位置で偏向させるのに必要な力の比率（「フラップ偏向比率」又はＦＤＲ）が２未満であることを意味する。
「吸気弁」とは、開くと、呼気が呼吸マスクの内部気体空間から出られるようにする弁を意味する。
「呼気」とは、呼吸マスクの着用者によって吐き出される空気を意味する。
「外部気体空間」とは、吐き出された気体が、マスク本体及び／又は呼気弁を通過し、それらを越えた後に入る周囲大気中の気体空間を意味する。
「フィルタ」又は「フィルタ層」とは、材料の１つ以上の層を意味し、その層は、それを通過する空気流から汚染物質（粒子など）を除去するという主目的に適している。
「濾材」とは、それを通過する空気から汚染物質を除去するように設計された通気性構造を意味する。
「可撓性フラップ」とは、人の呼気流によって加えられる力に応答して曲がる又は屈曲することができる物品を意味する。
「ハーネス」とは、マスク本体を着用者の顔面上で支持する助けとなる構造体、又は部品の組み合わせを意味する。
「内部気体空間」とは、マスク本体と人の顔面との間の空間を意味する。
「マスク本体」とは、人の少なくとも鼻及び口の上にフィットすることができ、外部気体空間から分離された内部気体空間を画定する助けとなる構造体を意味する。
「主表面」とは、物品又は本体に（全ての表面ではない）その他の表面よりも実質的に大きい表面積を有する表面を意味する。
「非円形」とは、弁座上で正面から投影された平面を通して見たときに円の形状を有しないことを意味する。
「オリフィス」とは、呼気が容易に通過することを可能にするような大きさの、細分されても細分されなくてもよい開口を意味する。
可撓性フラップに関する「外側表面」とは、フラップが弁座上に据え付けられるか、又は載っているときに、封止面から外方に向く主表面を意味する。
可撓性フラップに関する「周囲」とは、フラップ縁部又はその付近、典型的にはフラップ縁部の３ミリメートル（ｍｍ）以内を意味する。
「複数」とは、２つ以上を意味する。
「呼吸マスク」とは、着用者が呼吸するために清浄な空気を提供するための、人が着用する装置を意味する。
「封止面」とは、弁が閉鎖位置にあるときに、上に可撓性フラップが載る表面を意味する。
「固定された」とは、任意の様式で取り付けられていることを意味する。
「わずかな付勢」とは、任意の配向下で、フラップに対して重力以外の力を及ぼさずに、可撓性フラップを閉鎖位置に保つのに必要とされる最小限の付勢を意味する。
「囲む」とは、全ての方向から問題の物体の周りに位置することを意味する。
「弁座」又は「弁ベース」とは、流体が弁を通過するためのオリフィスを有し、かつ弁が取り付けられる基材又は物品に隣接して又は接触して配設される弁の一体型部品を意味する。
「可変剛性構造」とは、以下に示されるフラップ偏向試験に従って測定されたときに、所与の負荷下で非円形フラップを等しく偏向させる、構築物、部品、又は部品の組み合わせを意味する。

図中、
本発明による呼吸マスク１０の前側斜視図である。 本発明による呼吸マスク本体１２の前側斜視図であり、そこから取り外される弁可撓性フラップ４２及びカバープレート１４を示す。 呼気弁２３の前側斜視図である。 図３線４−４に沿った、呼気弁２３の断面図である。 図３線５−５に沿った、呼気弁２３の断面図である。 マスク本体１２の中心部分３２を通した、垂直に二分する断面図である。

本発明の実施において、非円形オリフィスを有する弁座に固定された、重心で支持された可撓性フラップに、可変剛性構造が提供され、この構造は、固定点から異なる長さのフラップセクションを有するにもかかわらず、フラップ周囲に沿ったいずれの点又はセグメントでも本質的に等しく開くことができる。既知の呼気弁では、より長い長さのフラップは、典型的には、モーメントがより大きいため、封止面からより容易に持ち上がる。本発明がより長い放射状セグメントでフラップにより大きな剛性を付与する可変剛性構造を有するため、同じ位置でその放射状物上でフラップを開くのに、増大した力又は負荷が必要とされる。その放射状物での増大した剛性はより大きなモーメントに対抗し、このことは、様々な放射状物が封止面と交差する点で測定された場合に、可撓性フラップが、重心から延びる様々な放射状物で等しく偏向することを可能にする。この構築を有する呼気弁は、非円形呼気弁の圧力降下及び全体的な弁性能を最適化することができる。この構築物を有する非円形弁は、同様の性能の片持ち弁では限定されている様々な構成にも有利に形作られ得る。

図１は、マスク本体１２及びマスク本体１２の前側に位置するカバープレート１４を有する呼吸マスク１０を示す。呼吸マスク１０は、使用中に着用者の頭部で呼吸マスク１０を支持するためのストラップ１８ａ、１８ｂを有するハーネス１６も含む。上方ストラップ１８ａは、使用中に着用者の頭頂上に載る頭頂部材１８ｃに取り付けられ得る。より下方の一組のストラップ１８ｂは、使用中、着用者の首の後ろに延び、取り付け及び取り外しの容易性の便宜を図るための解放式バックルを含んでもよい。本発明での使用に好適であり得るハーネスの例は、米国特許第６，７３２，７３３号（Ｂｒｏｓｔｒｏｍら）及び第６，７１５，４９０号（Ｂｙｒａｍ）に記載されている。カバープレート１４に、ストラップ１８ａ、１８ｂを収容する１つ以上の溝１９が提供されてもよい。着用者が呼吸する清浄な空気を提供するために、一対のフィルタカートリッジ２０がマスク本体１２に取り付けられる。カートリッジ２０は、着用者が吸入するときに、周囲空気から汚染物質を除去する１つ以上の層の濾材を含有する。濾材は、適用例によって、粒子状汚染物質及び／又はガス状汚染物質を除去することができる。フィルタカートリッジ２０は、米国特許出願第２０１３／０１２５８９６号（Ｄｗｙｅｒら）に記載される器具を用いてカートリッジ収容部２１に差し込まれてもよい。また、呼吸マスク１０に、呼吸マスク着用者が他の人とより容易に通信することを可能にする音声伝送器具２２が提供されてもよい。呼気弁２３（図２〜６）は、カバープレート１４上に位置する呼気弁カバー２４の下に配設されてもよい。弁カバー２４は、その中に一連の開口２６を有してもよく、これにより呼気が下にある弁を通過して周囲空気空間に入ることが可能になる。負圧チェックボタン２８は、マスク本体１２上の中心に取り付けられてもよく、これにより呼吸マスク着用者が、マスク本体顔面封止部３０で漏れのない封止が提供されているかどうかを素早く評価することが可能になる。かかる評価を行うために、着用者はボタン２８を押して、吸入するだけでよい。ボタンを押すことにより、吸入弁３１（図６）が閉鎖する。吸入を試みている間に空気がマスク本体内部に入ることが検出された場合、顔面封止部が着用者の顔面に適切に据え付けられていない。呼吸マスクが大きすぎるか小さすぎる場合、又は顔面への良好なフィットを拒む妨害が存在する場合がある。そのような使用に好適な圧力チェックボタンは、同時係属中の米国特許出願第１３／７５７３７３号（Ｍｉｔｔｅｌｓｔａｄｔら）に記載されている。顔面封止部３０は、シリコーンなどのしなやかな材又はエラストマー材から作製されてもよく、これにより顔面封止部が様々な顔面にぴったりとフィットすることが可能になる。顔面封止部３０は、マスク本体１２の堅い中心部分３２に固定されて、結果として得られる製品を着用するのにより軽いものにする。そのような堅い中心部分を使用するマスク本体１２は、米国特許第５，０６２，４２１号（Ｂｕｒｎｓ及びＲｅｉｓｃｈｅｌ）に記載されている（米国特許第７，６５０，８８４号（Ｆｌａｎｎｉｇａｎら）も参照）。

図２は、カバープレート１４がマスク本体１２から分離された状態のマスク本体１２を示す。カバープレート１４の下に呼気弁２３が設置される。呼気弁２３は、オリフィス３８及びオリフィス３８を囲む非円形封止面４０を有する弁座３６を有する。呼気弁２３は、フラップ４２の重心４４で弁座３６に固定され、かつ可変剛性構造４６を有する可撓性フラップ４２も含み（図３）、この可変剛性構造により、可撓性フラップ４２が、着用者の呼気により及ぼされる力に応答して弁座封止面４０で等しく偏向することが可能になる。可撓性フラップ４２は、第１の整列要素４６も有し、弁座３６は、第１の整列要素４６と嵌合する第２の整列要素４８を有する。第１及び第２の整列要素４６及び４８は、可撓性フラップ４２が弁座３６に適切に配向されることを可能にする。重心４４を中心としたフラップ４２のわずかな回転により、フラップ４２の下面５０が封止面４０との接触から外れる場合があるため、適切な配向を確立することが非円形フラップでは特に重要である。例えば、ボタン弁は、弁フラップの回転が問題ではないため、単に中心に整列すればよい。したがって、第１及び第２の整列要素４６及び４８は、フラップ重心４４と弁座重心５２の整列を提供するのみでなく、それらはフラップ平面における重心５２を中心としたフラップ４２の回転も妨げる。そうするために、第１の整列要素４６は、第２の整列要素４８内に同様に寸法決定された回転防止要素５３ｂと嵌合する１つ以上の回転防止要素５３ａを含む。また、弁座３６に、第２の整列要素４８からオリフィス内縁部５６に放射状に延びる１つ以上の梁５４が提供されてもよい（図２）。梁５４は、弁オリフィス３８内で第２の整列要素４８をその適切な位置で支持する。

図３は、閉鎖位置で弁座３６（図４及び５）上に載っている可撓性フラップ４２を有する呼気弁２３を示す。フラップ４２は、典型的には、その閉鎖位置にあるとき、弁座３６に向かって付勢される。付勢は、好ましくは、「わずか」であるように作り上げられる、すなわち、付勢は、気流力がフラップ４２上に及ぼされていないときに、弁の配向にかかわらず最小限の力でフラップ４２を閉鎖位置に保つように作り上げられる。反転して重力のみに曝されたときに、フラップ周囲５８の周りの全ての点に沿ってフラップ４２が閉鎖したままになるように可変剛性構造４６を構築することにより、わずかな付勢が達成され得る。可撓性フラップ４２は、呼気圧に応答して等しく偏向するようにも適合される。可変剛性構造４６は、フラップ周囲５８のいずれのセグメントも、息を吐いている間、封止面４０（図２、４、及び５）から持ち上げられる本質的に等しい機会を有することを可能にする。例示したフラップ４２及び下にある封止面４０は両方ともに、可撓性フラップ４２の外側主表面６０上に投影された平面を通して見たときに楕円形状を有する。本質的に、全ての他の非円形の形状が本発明で企図される。フラップ４２及び封止面４０は、必ずしも同じ形状を有する必要はないが、同じ形状を有することは、典型的には、より優れた性能に好ましい。フラップ４２及び封止面４０は、例えば、矩形、正方形、三角形、楕円形、六角形、八角形、不整形、又は他の形状を有してもよい。弁座３６は、使用中、基材６２に固定されている。基材６２は、マスク本体１２を含む材料の１つ以上であってもよい（図１）。弁が濾過顔面マスクに取り付けられる場合（例えば米国特許第７，１３１，４４２号（Ｋｒｏｎｚｅｒら）及び第６，９２３，１８２号（Ａｎｇａｄｊｉｖａｎｄら）参照）、弁座は、マスク本体の濾過構造の不織布繊維材料に固定されてもよい。マスク本体がフィルタカートリッジ又は挿入部材に成形されたフィルタ要素を含有するものである場合（例えば米国特許第６，８８３，５１８号（Ｍｉｔｔｅｌｓｔａｄｔら）及び第４，７９０，３０６号（Ｂｒａｕｎ）参照）、弁座が成形されてマスク本体にされてもよく、又は弁座がマスク本体に固定されてもよい。弁座は、マスク本体支持構造により支持される枠にも固定されてもよい（例えば米国特許出願第２００９／００７８２６４号（Ｍａｒｔｉｎら）参照）。可変剛性構造４６は、重心４４から放射状に延びる複数のリブ６４を含んでもよい。隣接したリブは、約１０〜４５度、より典型的には約１５〜３０度の角度で互いに分離されてもよい。フラップ重心４４からより長い端部６６まで延びるより長いリブ６４ａは、フラップ重心４４からフラップ４２のより短い端部６８まで延びるより短いリブ６４ｂよりも剛性が高くなるように構成されている。様々な程度の剛性は、より剛性の高いリブ６４ａを、より剛性の低いリブ６４ｂよりも高い又は広いものにすることにより達成され得る。したがって、より剛性の高いリブ６４ａの断面は、より剛性の低いリブ６４ｂの断面より大きい場合がある。断面積の差は約１０〜５０％であってもよい。あるいは、より剛性の高いリブ６４ａは、同様の断面を有する一方で、より剛性の低いリブ６４ｂよりも剛性の材料から作製される場合がある。可変剛性構造を提供する別の方法は、フラップ４２を、より長い長さ又はより大きなモーメントを有するセクションでより厚くすることである。リブ及び不均一な厚さを有するフラップは、米国特許米国特許第６，８８３，５１８号（Ｍｉｔｔｅｌｓｔａｄｔら）に記載されている。可撓性フラップに、より長いフラップセクションがより短いフラップセクションよりも厚い厚さを有する不均一な厚さが提供されてもよい。可変性の厚さを有するフラップは、例えばレーザーを用いてフラップの異なる部分を剥離することにより提供され得る（米国特許出願第２０１２／０１６７８９０号及び第２０１２／０１６８６５８号（Ｉｎｓｌｅｙら）参照）。また、可撓性フラップはプレカーブされてもよく、そのプレカーブされたものは、フラップが弁座に固定された場合、平らになる（’５１８号特許（Ｍｉｔｔｅｌｓｔａｄｔら）参照）。

図４及び５は、より長いリブ６４ａがより短いリブ６４ｂよりどのくらい高い高さを有するかを示す。同様の幅でリブの高さが増大すると、より大きな断面ができ、それによりリブ剛性が増大する。より剛性の高いリブ６４ａは、フラップ４２の自由端６６が封止面４０に向かって付勢された状態を保ち、それが弁２３の配向にかかわらず閉鎖したままにする。それ故に、フラップ４２の６８のより短い自由端は、より長い自由端６６と比較した場合、偏向される機会を等しく有する。本発明に関連して使用される可撓性フラップのフラップ偏向割合（ＦＤＲ）は、以下に示されるフラップ偏向試験に従って試験された場合、２未満、好ましくは１．５未満、より好ましくは１．４未満である。ＦＤＲは、好ましくは、可能な限り１に近い。１．３、１．２、及び１．１未満のＦＤＲを達成することもできる。典型的には、フラップ偏向試験を用いて、重心から延びる任意の放射でフラップ周囲５８に沿って測定されたいずれの点も、フラップを１ミリメートル（ｍｍ）偏向するのに１０ミリニュートン（ｍＮ）以下の負荷、好ましくは５ｍＮ以下を呈する。フラップをこの１ｍｍの距離だけ偏向するための負荷について測定されたフラップ周囲に沿った各点は、好ましくは、同様に測定された任意の他の点と１００％を超えて、より好ましくは５０％を超えて、更により好ましくは２５％を超えて異ならない。

図６は、マスク本体１２（図２）の中心部分３２の断面を示す。呼吸マスク１０（図１）が使用中である場合、マスク本体１２は、内部気体空間を外部気体空間から分離する。ポート７０を通って内部気体空間に入る清浄な空気は、中心プレナム７２に入り、その後、それは呼気弁３１を通過し、次にそこで呼吸マスクの着用者により吸入され得る。清浄な空気は、最初にフィルタカートリッジ２０（図１）を通過することにより作成される。カートリッジ２０は、呼吸マスクが使用されている場合、収容部２１（図２）に差し込まれる。この構成を有するマスク本体は、米国特許出願第１３／７５７，０６８号（Ｄｗｙｅｒら）に記載されている。着用者により吐き出される空気は、内部気体空間から呼気弁２３を通って外部気体空間に入る。呼気流又は空気圧力は、可撓性フラップ４２の自由端を封止面４０から持ち上げて、空気が弁オリフィス３８及びカバープレート１４の開口２６を通過することを可能にする。カバープレート１４の代わりに、弁カバーを使用して、弁を保護し、呼気を下向きに指向させることができる。弁カバーの例は、米国特許第３４７．２９９号（Ｊａｐｕｎｔｉｃｈら）に示されている。

フラップ偏向試験
この試験は、可撓性フラップを弁座封止面から１ｍｍの高さまで持ち上げるのに必要な負荷又は力を測定する。

この試験を行うために、最初に、呼気弁を適切に較正された試験器具に位置付ける。ＴｈｒｅｅＺａｂｅｒ運動線形転換運動ステージ（モデルＴ−ＬＳＲ １５０を３Ｄ試料位置付けのために使用する。取り付けられた試料を有するクランプ締め具が、各ステージ上で手動で操作されるポットを介した試料位置付け及び負荷のために三次元で転換され得るように、上記ステージを組み立てる。クランプ締め具は、弁座を保持するように作り上げられる。静的備品を有し、かつ０．５ｍｍの取り付けられた扁平パンチを有するＴｒａｎｓｄｕｃｅｒ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓロードセル（モデルＧＳ０−１０）を、問題の領域内の試料の下に位置付ける。扁平パンチは先端で０．５ｍｍの直径を有し、１ｍｍ直径の軸部は長さ１６ｍｍで、ねじ付きスタッドに取り付けられ、スタッドはロードセル内にねじ切る。扁平パンチの長さは、１．２５インチである。フラップを持ち上げるパンチの側面図を取るために、Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ（ＵＳＢ） Ｄｉｎｏｌｉｔｅ（商標）顕微鏡を、プローブ／試料から２．７５インチに設定する。ロードセルを、Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ＴｅｃｈｎｉｑｕｅｓモデルＴＭＯ−１コンディショナーを介して１０ボルトＤＣ供給に配線し、ゲインを最大値に設定する。パンチが問題の領域に向かって上方を向くように、ロードセルを静的台座に取り付ける。ロードセルを、ＴＭＯ−１コンディショナー上のポットを用いて調整する。ロードセル及びＵＳＢ顕微鏡を、Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ＦＳ１４０８ ＵＳＢデータ取得ボード並びに関連付けられるＴｒａｃｅｒ ＤＡＱ及びＩｎｓｔａｃａｌソフトウェアを介してコンピュータに接続する。データ取得ボードを、Ｉｎｓｔａｃａｌ（商標）ソフトウェアで選択及び試験する。ロードセルをグラム重量で較正し、その後、力（ｍＮ）対ミリボルト出力の線形フィットを計算する。試料を運動ステージ備品にクランプ締めし、フラップを弁座上に取り付ける。パンチは、運動ステージを介して試験されるべき領域の下に位置する。フラップが持ち上げられる場所に隣接して目盛り付き定規を置くことにより、距離測定が可能になる。結果として得られた画像を０．５ｍｍグラデーション用に保存する。

可撓性フラップを封止面から持ち上げるのに必要な負荷を測定するために、試験試料を装置内に適切に位置付けた後、以下の工程を行う。
１．パンチを、フラップが封止面と合する位置で可撓性フラップの下に位置付ける。パンチは、弁にほぼ接触している。負荷チャネルのデータ取得を、Ｔｒａｃｅｒｄａｑ（商標）ソフトウェアで開始する。１００サンプル／秒の試料速度及び３分間の試料採取を使用してデータを取る。
２．負荷チャネルがデータを蓄積し始めた直後に、操作者はビデオスクリーンに切り換えて、試料とほぼ接触しているプローブを確認する。ビデオ記録を開始する。
３．ｚ−ステージ制御を用いて、試料がプローブ上に下げられる一方で、ビデオは、プローブとの係合のためにベース部から持ち上がる弁フラップを映し出す。
４．約１ｍｍの持ち上げ値で、ドウェル制御装置をプローブを定位置に２〜３秒間維持する。
５．ドウェルセグメントが完了した後、ｚ−ステージ制御装置を用いて負荷をフラップから除去する。
６．その後、０負荷のドウェルを５秒間保持する。
７．ステップ３〜６を更に２回繰り返す。
８．負荷対時間をＴｒａｃｅｒｄａｑ（商標）ソフトウェアに保存する。ビデオをＤｉｎｏｌｉｔｅソフトウェアに保存する。
９．試験中の最大持ち上げをフレームするために、ビデオを再調査する。その後、１ｍｍの持ち上げ距離を測定し、目盛り付き定規からの較正を用いて実証する。

システムからの出力はミリボルト単位である。負荷を決定するために線形フィットを使用し、その後、ミリニュートン（ｍＮ）で報告する。１ｍｍ収縮での負荷を２つの位置で測定する。位置１は、重心から延びる最も短い放射が弁オリフィスの内面と交差する点であり、位置２は、最も長い放射が弁オリフィスの内面と交差する点である。位置１は図４で数字７４で特定されており、位置２は図５で数字７６で特定されている。

（実施例Ｅ１）
図２〜６で示す弁と似た呼気弁を構築した。Ｗａｃｋｅｒ Ｅｌａｓｔｏｓｉｌ ３００１−６０シリコーンゴムを用いて、可撓性フラップを成形した。Ａｃｃｕｒａ（商標）６０高速試作材料を用いて光造形（ＳＬＡ）プロセスから、弁座及びその封止面を作製した。可撓性フラップは４１ミリメートル（ｍｍ）（重心から２０．５ｍｍ）の長軸長を有し、２５ｍｍ（重心から１２．５ｍｍ）の短軸長を有した。可撓性フラップを、いずれの方向でも重力負荷下で閉鎖したままになるように設計した。リブを、図３に示されるように配向して設置した。隣接したリブが約２４度で互いに離間されるように、リブは重心から放射状に延びた。角度間隔は、リブの各々について同じであった。リブに接合させた連続フラップシートは約０．２８ｍｍの厚さを有した。このフラップシートに取り付けられたリブを欠く初期の構築物では、フラップは重力負荷下で全ての方向において閉鎖したままではないことが見出された。リブの断面積は様々であった。長軸のリブは約０．２５ｍｍ^２の最大断面積を有した。短軸のリブは約０．１３ｍｍ^２の最大断面積を有した。かかる断面積を有するリブは、フラップがそれを曲げる力に曝されたときに、ねじれることが見出された。最も長いリブの長さは１８．５ｍｍであった。最も短いリブの長さは１０．２ｍｍであった。最も長いリブの重心でのリブの高さは０．８２ｍｍであった。最も短いリブの重心でのリブの高さは０．４２ｍｍであった。最も高いリブは、周囲で約０．４ｍｍの高さになるように先細になっている。リブ幅は０．３１ｍｍであり、全てのリブについて同じであった。全てのリブは、フラップ重心に位置する突起で交差する。この突起は４．５ｍｍの直径を有した。整列要素は、重心対称であり、３ｍｍの幅及び１０．２ｍｍの長さである。整列要素は、フラップ膜から、フラップから２．８ｍｍの最大距離を有する平面まで先細になっている。

弁座を、図２、４、及び５で示される構成を有するように生成した。弁座を高速試作法により作製した。

中心突起及び整列機構を弁座上の対応する嵌合機構に押し込むことにより、可撓性フラップを弁座に接合した。嵌合機構は、突起／整列機構を受容する孔を有し、弁を弁座上に保持する。

得られた呼気弁を、可撓性フラップ試験に従って試験し、その結果を以下の表１に示す。

表１は、Ｅ１についてのＦＤＲを示し、１．４０（２．４５／１．７４）であった。このデータは、得られた呼気弁が本発明の範囲内のＦＤＲを有することを示す。それ故に、息を吐いている間、可撓性フラップは等しく偏向し、これによりフラップ周囲のいずれのセグメントも弁座から持ち上げられ得る。

偏向／力シミュレーション
有限要素解析ソフトウェアを使用して、可変剛性構造を有する可撓性フラップの偏向特性を、かかる構造を欠く等価のフラップと比較することができる。弁システムのコンピュータモデルは、フラップの幾何を表す有限要素のメッシュからなる。有限要素は構造全体の小ドメインである。これらの要素にわたり支配微分方程式を数値計算する。各要素は、ノードによりそれらの間を直線で結合されている。ノードは、いくつかの隣接した有限要素の一部であってもよい。共に結合された要素の全てはメッシュを表す。このメッシュは、解析している構造の幾何に近似する。

可撓性フラップは、外殻有限要素を使用してフラップの厚さを近似することができる肉薄構造である。外殻要素は、典型的には、３つのノードを有する三角形の扁平な要素である。外殻モデルは、属性として要素に適用される適切な厚さを有する。その後、厚さはコンピュータ計算で説明される。所望の場合、この厚さをモデリングするために三次元要素を使用することもできる。これらの３Ｄ要素は、典型的には、４つのフェイス及び３つのノードを有する。

モデルサイズを低減させるために、対称を使用することができる。対称の平面にわたって、適切な境界条件がモデルに適用される必要がある。この平面上に載っているノードは、その平面内でのみ回転可能であるように制約されている。また、それらは、平面外の偏向がないことを確実にするように制約されている。

フラップは重心の支持機構で制約されているため、モデルは所望の場合、更に単純化することができる。シミュレーションのために、封止膜及びリブ上のノードは、支持全体をモデリングする代わりに、中心支持との交点で固定されてもよい。

外殻メッシュは、フラップ幾何及び封止面への接触を正確にモデリングするために十分な数の要素で作製される必要がある。封止面は、堅い接触要素でモデリングされるべきである。フラップを前負荷するために、封止面要素をフラップメッシュまで上昇させ、これにより前負荷を作成する。

代表的な弾性率及びポアソン比をこのモデルに適用する。重力負荷なしのフラップモデルはここで完了する。

シミュレーションのために、所望の位置のノードの１つを上昇させて堅い要素から離し、これは封止面を表す。ノードを、最終的な偏向に達するまで、少しずつの増大で上昇させる。このシミュレーションについて、隣接した領域の剛性の影響が結果で優位を占めることがないように偏向を限定する。この技術は、フラップ偏向試験を再現することができる。解析からの結果は、特筆した位置での所与の偏向での力である。

呼気弁のシミュレーション−実施例ＳＥ１
この実施例に従って生成した呼気弁は、実施例Ｅ１と同じ可撓性フラップを有する弁であった、すなわち、それは、同じ可撓性フラップを有するＥ１弁のコンピュータシミュレーションであった。この実施例で使用した有限要素解析ソフトウェアは、ＡＢＡＱＵＳ（登録商標）であった。シミュレーション実施例は、１平方インチ（ｐｓｉ）当たり３５０ポンドの弾性率、及び０．５のポアソン比を使用し、これは３００１−６０シリコーン材料を表す。フラップ偏向試験で特定した２つの位置（位置１及び位置２）の各々で、解析を行った。各位置で、フラップを上昇させて接触要素から離し、これは１つの位置での封止面を表す。使用した最大偏向は１ｍｍであった。フラップが最大偏向値まで開かれるまで、偏向を１０回の増大で適用した。各増大で、ソフトウェアにより反応負荷を計算した。

フラップ効率を最大にするために、周囲の周りの画定した開口で、負荷は「等価」であるべきである。別の言い方をすると、フラップ偏向は所与の負荷で同じであるべきである。これを決定するために、弁封止面での位置１と位置２との間の解析の出力から、ＦＤＲを計算する。最も長い放射と最も短い放射との間のＦＤＲを、この等価性の代表的な測定として使用した。表２は、実施例ＳＥ１の各偏向増大について生じた力及びＦＤＲを示す。

１ｍｍの変更で、ＳＥ１ ＦＤＲは１．２３であり、これはモデリング及び試験変動性を考慮して、１．４のＥ１ ＦＤＲと優れた相関を示す。

シミュレーション比較例−ＳＣＥ１
ＳＣＥ１は、リブが除去されていることを除いては、Ｅ１と同じフラップを用いた、Ｅ１での試験施行のシミュレーションである。同じシミュレーションアプローチがＳＥ１から再現されたが、リブはメッシュから除去されていた。表３は、各偏向増大について生じた力及びＦＤＲを示す。

表２及び表３は、それぞれ、ＳＥ１及びＳＣＥ１の結果を示す。予想されるように、リブなし変形物は、より低い負荷を有した。これは、膜の厚さが０．２８ｍｍに維持されたため、予想通りであった。しかしながら、このフラップの厚さは、重力下で全ての方向において弁を閉鎖したまま保持するには十分でなかった。

両方の表は、各場合についての位置１及び２でのＦＤＲを示す。完全に最適化されたシステムは、１の比を有するであろう。ＳＥ１は、０．２ｍｍ〜１ｍｍの増大で偏向した場合、１．２５の平均比を有する。リブを有しない「等価の」剛性実施例（ＳＣＥ１）は、３．７６のもっとより高い平均比を有した。１ｍｍの偏向で、ＦＤＲは、それぞれ、１．２３及び２．３４であった。

呼気弁のシミュレーション−実施例ＳＥ２
より低いアスペクト比を有する別の呼気弁を解析した。可撓性フラップは３５．５ミリメートル（ｍｍ）（重心から１７．７５ｍｍ）の長軸長を有し、３２ｍｍ（重心から１６ｍｍ）の短軸長を有した。可撓性フラップを、いずれの方向でも重力負荷下で閉鎖したままになるように設計した。隣接したリブが約２４度で互いに離間されるように、リブは重心から放射状に延びた。角度間隔は、リブの各々について同じであった。リブに接合させた連続フラップシートは、約０．２８ｍｍの厚さを有した。リブの断面積は変動した。長軸のリブは、約０．２３ｍｍ^２の最大断面積を有した。短軸のリブは、約０．１９ｍｍ^２の最大断面積を有した。かかる断面積を有するリブは、フラップがそれを曲げる力に曝されたときに、ねじれることが見出された。最も長いリブの長さは１６．９ｍｍであった。最も短いリブの長さは１４．０ｍｍであった。最も長いリブの重心でのリブの高さは０．７７ｍｍであった。最も短いリブの重心でのリブの高さは０．６８ｍｍであった。最も高いリブは、周囲で約０．４ｍｍの高さになるように先細になっている。最も短いリブは、周囲で約０．２５ｍｍの高さになるように先細になっている。リブ幅は０．３１ｍｍであり、全てのリブについて同じであった。突起及び整列機構は、ＳＥ１で説明したものと同じであった。

この実施例で使用した有限要素解析ソフトウェアは、ＡＢＡＱＵＳ（登録商標）であった。シミュレーション実施例は、１平方インチ（ｐｓｉ）当たり３５０ポンドの弾性率、及び０．５のポアソン比を使用し、これは３００１−６０シリコーン材料を表す。フラップ偏向試験で特定した２つの位置（位置１及び位置２）の各々で、解析を行った。各位置で、フラップを上昇させて接触要素から離し、これは１つの位置での封止面を表す。使用した最大偏向は１ｍｍであった。フラップが最大偏向値まで開かれるまで、偏向を１０回の増大で適用した。各増大で、ソフトウェアにより反応負荷を計算した。

シミュレーション結果を表４に示す。

シミュレーション比較例−ＳＣＥ２
ＳＣＥ２について、同じシミュレーションアプローチがＳＥ２から再現されたが、リブはメッシュから除去されていた。表５は、各偏向増大について生じた力及びＦＤＲを示す。

表４及び表５は、それぞれ、ＳＥ２及びＳＣＥ２の結果を示す。両方の表は、各場合についての位置１及び２でのＦＤＲを示す。ＳＥ２は、０．２ｍｍ〜１ｍｍの増大で偏向させた場合、１．３２の平均比を有する。リブを有しない「等価の」剛性実施例（ＳＣＥ２）は、１．７１のより高い比を有した。１ｍｍの偏向で、ＦＤＲは、それぞれ、１．３２及び１．５１であった。

このＦＤＲは、アスペクト比が１に近いためにより近い。可変剛性フラップの利点は、最も短い長さの放射及び最も長い長さの放射が同様になるにつれ、減少する。しかしながら、それでも、これらの放射が異なる長さのものである限り、利点がある。

可変剛性弁、ＳＥ１及びＳＥ２は、重心からの最も長い距離での周囲位置と、重心への最も短い距離での位置とを比較した場合、等しい偏向について「等価の負荷」を有した。これにより、フラップが所与の呼気圧下で周囲全体の周りで持ち上がって開く。より多くのフラップ周囲が封止面からより大きな距離持ち上がると、弁オリフィスを介した圧力降下が減少し、このことは所与の流速での呼気圧を低減させることにより使用者の快適性を増大させる。

本発明は、その趣旨及び範囲から逸脱することなく、様々な修正及び変更を成すことができる。したがって、本発明は上記の記載によって限定されるものではないが、以下の「特許請求の範囲」及びそのあらゆる均等物において記載される限定条件によって規制されるものである。

本発明は、本明細書に具体的に開示されていない要素の不在下で好適に実施される場合もある。

上記に引用されている全ての特許及び特許出願は、「背景技術」の項に引用されているものを含めて、その全体が本明細書において参照により援用されている。そのような組み込まれる文書と上記の明細書との間に矛盾又は不一致が存在する限りにおいて、上記の明細書が優先される。

Claims (20)

1. （ａ）オリフィスを有し、前記オリフィスを囲む非円形封止面を有する弁座と、
   （ｂ）前記オリフィスの重心で前記弁座に固定され、可変剛性構造を有する可撓性フラップと、を備える、呼気弁。
2. 前記可撓性フラップが、前記可撓性フラップの重心で前記弁座に固定される、請求項１に記載の呼気弁。
3. 前記可撓性フラップが、第１の整列要素を有する、請求項２に記載の呼気弁。
4. 前記弁座が、前記第１の整列要素と嵌合する第２の整列要素を有する、請求項３に記載の呼気弁。
5. 前記第１及び第２の整列要素が、前記フラップ平面内の前記オリフィスの前記重心を中心とした前記可撓性フラップの回転を妨げる、請求項４に記載の呼気弁。
6. 前記第１の整列要素が、前記第２の整列要素内の同様に寸法決定された回転防止要素（複数可）と嵌合する回転防止要素（複数可）を含む、請求項５に記載の呼気弁。
7. 前記弁座が、前記第２の整列要素から前記オリフィスの内縁部まで放射状に延びる１つ以上の梁を有する、請求項４に記載の呼気弁。
8. 前記梁が、前記弁オリフィス内で前記第２の整列要素をその重心で支持する、請求項７に記載の呼気弁。
9. 前記フラップが、その閉鎖位置にあるとき、前記弁座に向かって付勢される、請求項７に記載の呼気弁。
10. 前記可変剛性構造が、前記可撓性フラップの前記重心から放射状に延びる複数のリブを含む、請求項１に記載の呼気弁。
11. 前記リブの少なくともいくつかが異なる長さを有し、より長いリブがより短いリブよりも剛性が高くなるように構成される、請求項１２に記載の呼気弁。
12. 前記可撓性フラップ試験に従って測定されたときに、前記フラップ周囲に沿った任意の点で前記可撓性フラップを前記封止面から１ｍｍ持ち上げるために、５ｍＮ以下の力しか必要とされない、請求項２に記載の呼気弁。
13. （ａ）ハーネスと、
    （ｂ）呼気弁を備えるマスク本体と、
    を備える呼吸マスクであって、
    前記呼気弁が、
    （ｉ）オリフィスを有し、前記オリフィスを囲む非円形封止面を有する弁座と、
    （ｉｉ）前記オリフィスの重心で弁座に固定され、可変剛性構造を有する可撓性フラップと、を含む、呼吸マスク。
14. 前記可撓性フラップが、前記可撓性フラップの重心で前記弁座に固定される、請求項１３に記載の呼吸マスク。
15. 前記可撓性フラップが、第１の整列要素を有する、請求項１３に記載の呼吸マスク。
16. 前記弁座が、前記第１の整列要素と嵌合する第２の整列要素を有する、請求項１５に記載の呼吸マスク。
17. 前記第１及び第２の整列要素が、前記フラップ平面における前記オリフィスの前記重心を中心とした前記可撓性フラップの回転を妨げる、請求項１６に記載の呼吸マスク。
18. 前記第１の整列要素が、前記第２の整列要素内の同様に寸法決定された回転防止要素（複数可）と嵌合する回転防止要素（複数可）を含む、請求項１７に記載の呼吸マスク。
19. 前記弁座が、前記第２の整列要素から前記オリフィスの内縁部まで放射状に延びる１つ以上の梁を有する、請求項１６に記載の呼吸マスク。
20. 前記梁が前記弁オリフィス内で前記第２の整列要素をその重心で支持する、請求項１９に記載の呼吸マスク。

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