JP6240823B2 - 開閉具及び呼吸補助装置 - Google Patents

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、特開平０２−１３１７６５号公報、特開平０２−１３１７７３号公報、特開平０２−１３１７７４号公報、特開平０５−２４５２０４号公報）。

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（塞ぎ位置）及び弁座から離隔して呼気孔を開放する位置（開放位置）の間で移動自在な弁体とを備える。

このダイヤフラム弁の弁体には、呼気孔からの圧力に抗して、塞ぎ位置を維持することができる程度の剛性が求められる。弁体の剛性を向上させる手段としては、形成材料の変更、形状の見直し、弁体自身の大型化などが考えられる。

しかしながら、弁体の形成材料や形状を変える場合には、入手コストや加工コストが増大してしまう。また、弁体自身を大型化する場合には、ダイヤフラム弁の小型化が困難となる。そして、かかる問題は、呼吸補助装置に用いられる呼気弁に限られず、ダイヤフラム弁に共通する問題である。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、孔からの圧力に抗するだけの剛性を有するとともに、安価に製造可能であって、小型化が容易な開閉具、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。

開閉具は、流体が通過する孔が開口する仕切面を有する仕切部材と、前記仕切面の面方向に変形自在な変形部材を有する開閉機構と、を備え、前記開閉機構は、前記変形部材の変形によって、前記孔の開口量が互いに異なる第１状態及び第２状態との間で遷移自在であることを特徴とする。

前記変形部材は、厚さ方向において変形自在の板状に形成され、前記変形の方向が前記仕切面の面方向となるように、前記変形部材が前記仕切面に対して起立することが好ましい。また、前記孔はスリット状に形成され、前記変形部材は、自身の側面で前記孔を覆うことが好ましい。

前記開閉機構は前記変形部材の自由端側に設けられた蓋を有し、前記蓋を移動させることで前記孔を覆うことが好ましい。また、前記仕切面には第１の前記孔と第２の前記孔とが開口し、前記開閉機構は、共通の前記変形材料を変形させることで、前記第１の孔が塞がれるとともに前記第２の孔が開放される状態と、前記第２の孔が塞がれるとともに前記第１の孔が開放される状態との間で遷移自在であることが好ましい。

前記変形部材は圧電素子であって、前記圧電素子の変形を制御するコントローラを備えたことが好ましい。また、前記仕切り面に向けて前記開閉機構を付勢する付勢機構を備えたことが好ましい。

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。

前記マスク又は前記連通管に前記孔が形成されたことが好ましい。また、前記孔は、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。

呼吸補助装置は、上記の開閉具と、呼気又は吸気の気体が通過する流路と、前記流路内に配置され吸気方向に加速用の気体を噴出する吸気ノズルと、前記流路内の前記吸気ノズルよりも呼気方向側に配置され、前記呼気方向に加速用の気体を噴出する呼気ノズルと、前記吸気ノズル及び前記呼気ノズルに対して前記加速用の気体を供給するポンプユニットと、前記流路内にて前記吸気ノズルから前記吸気方向に向かって延設され、前記吸気ノズルから放出された前記加速用の気体を広げて前記吸気ノズルよりも前記吸気方向側を負圧にする吸気ベンチュリー壁と、前記流路内にて前記呼気ノズルから前記呼気方向に向かって延設され、前記呼気ノズルから放出された前記加速用の気体を広げて前記呼気ノズルよりも前記呼気方向側を負圧にする呼気ベンチュリー壁と、を備え、前記開閉具は、前記吸気ノズル及び前記呼気ノズルのうち一方を塞ぐ状態と、他方を塞ぐ状態との間で遷移自在であることを特徴とする。

上記の開閉具によれば、孔からの圧力に抗するだけの剛性を有するとともに、安価に製造可能であって、小型化が容易である。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。

本発明の第１実施形態に係る呼吸補助装置の構成を示す概略図である。 マスクに設けられた呼気弁の概略図であり、呼気弁が呼気孔を開放する状態を示す。 マスクに設けられた呼気弁の概略図であり、呼気弁が呼気孔を開放する状態を示す。 マスクに設けられた呼気弁の概略図であり、呼気弁が呼気孔を塞ぐ状態を示す。 マスクに設けられた呼気弁の概略図であり、呼気弁が呼気孔を塞ぐ状態を示す。 制御ユニットのハード構成を示すブロック図である。 制御ユニットの機能構成を示すブロック図である。 呼吸補助装置の制御例を示す概略図であり、（Ａ）は使用者が呼気する場合を示し、（Ｂ）は使用者が吸気する場合を示す。 本発明の第２実施形態に係る呼吸補助装置の構成を示す概略図である。 本発明の第３実施形態に係る呼吸補助装置の構成を示す概略図である。 本発明の第４実施形態に係る呼吸補助装置の構成を示す概略図である。 本発明の第５実施形態に係る呼吸補助装置の構成を示す概略図である。 （Ａ）はマイクロポンプの構成例を示す断面図であり、（Ｂ）は同マイクロポンプの圧力−流量線を示すグラフである。 本発明の第６実施形態に係る呼吸補助装置の構成を示す概略図である。 マスクに設けられた呼気孔及び吸気孔を選択的に閉塞可能な呼気弁の概略図である。 マスクに設けられた呼気孔及び吸気孔を選択的に閉塞可能な呼気弁の概略図であり、（Ａ）は、呼気弁が呼気孔のみを塞ぐ状態を、（Ｂ）は呼気弁が吸気孔のみを塞ぐ状態を示す。 複数の呼気孔を有するマスクの概略図である。 ピエゾ素子と、ピエゾ素子に設けられ、ピエゾ素子の変形によって呼気孔の開閉が可能な蓋とを有する呼気弁の概略図である。 呼気ノズル及び吸気ノズルを選択的に閉塞可能な呼吸切換弁を備えた呼吸補助装置の概略図である。 （Ａ）は、呼気ノズルから空気が放出される呼吸補助装置の概略図であり、（Ｂ）は、吸気ノズルから空気が放出される呼吸補助装置の概略図である。 （Ａ）は、マスクに設けられた呼気弁及びこの周辺に配された各部品の概要を表すＡ−Ａ線断面図である。（Ｂ）は、マスクに設けられた呼気弁及びこの周辺に配された各部品の概要を表すＢ−Ｂ線断面図である。 マスクに設けられた呼気弁及び呼気弁の周辺に配された各部品の概要を表す分解斜視図である。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して説明する。

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、吸気用ガスを送り出す供給源１１と、供給源１１に基端が接続される吸気管１２と、吸気管１２の先端に取り付けられ呼気孔１３ａを有するマスク１３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、外気と、口及び鼻とを仕切るためもの（仕切部材）である。マスク１３には、吸気孔１３ｂが形成される。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２Ａ〜２Ｄ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。なお、呼気弁１５の一端が嵌合可能な固定用溝が固定部材２２に形成されていることが好ましい。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、電圧印加のオン・オフによって、延びた状態（図２Ａ・２Ｂ参照）と、反った状態（図２Ｃ・２Ｄ参照）との間で変形自在である。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を開放する状態となる。一方、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を塞ぐ状態となる。こうして、呼気弁１５は、ピエゾ素子１５ａの変形によって変形自在となる。また、呼気弁１５は、自身の変形方向、すなわち自身の厚み方向がマスク１３の内面１３ｆの面方向となるように内面１３ｆに設けられる。また、呼気弁１５は、自身の変形により側面１５ｍが内面１３ｆを摺動するように、内面１３ｆに設けられることが好ましい。内面１３ｆは平面でも曲面でもよい。このため、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（図２Ａ・２Ｂ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（図２Ｃ・２Ｄ参照）との間で遷移自在である。

なお、ピエゾ素子１５ａは、図２Ａ〜２Ｄに示すように、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のでもよいし、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。更に、このセンシング部３４は、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、センシング部３４のセンシングデータを参照して、呼気弁１５への制御信号を、目標となる開放量に近づくように制御する。調整弁制御部３６は、センシング部３４のセンシングデータを参照して、調整弁２０への制御信号を、目標となる流量値に近づくように制御する。

次に、図５（Ａ）および図５（Ｂ）を用いて、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５（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５（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。

以上説明したように、マスク１３と呼気弁１５とによりなる開閉具は、孔からの圧力に抗するだけの剛性を有するとともに、安価に製造可能であって、小型化が容易である。さらに、構造がシンプルであるため、高い信頼性を容易に得ることができる。

また、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。

また、印加電圧の値によって変形量を容易に調節可能なピエゾ素子１５ａを用いるため、呼気孔１３ａの開放率の調節が容易となる結果、呼気の吐出し量を調節することができる。このため、当該呼気弁１５から放出される呼気の流量が急激に変化することを防止できる。すなわち、マスク１３内の気圧が急激に変化することを防止することとなり、患者に掛かる負担を和らげることができる。

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。

図６には、第２実施形態に係る呼吸補助装置４０の構成が例示されている。なお、第１実施形態と第２実施形態は、同一又は類似する部分が多いので、これらの部分の説明は適宜省略すると共に、ここでは第１実施形態と異なる点を中心に説明する。後述する第３実施形態以降についても、他の実施形態と共通する説明は適宜省略すると共に、他の実施形態と異なる点を中心に説明する。

呼吸補助装置４０は、マスク１３に呼気孔１３ａ（図１参照）を形成することに代えて、吸気管１２に通気孔１２ａを形成している。そして、呼吸補助装置４０は、呼気弁１５および複数の安全部材１６をマスク１３に設けることに代えて、呼気弁４１および複数の安全部材４２を吸気管１２に設けている。このため、吸気管１２は、呼気経路としても機能する。

図２Ａ〜２Ｄに示す呼気弁１５と同様の構造を有する呼気弁４１は、自身の変形方向、すなわち自身の厚み方向が吸気管１２の内面１２ｆに沿うように、かつ、自身の変形により側面が内面１２ｆを摺動するように、内面１２ｆに設けられる。このため、呼気弁１５は、ピエゾ素子の変形により、通気孔１２ａを開放する状態と、通気孔１２ａを塞ぐ状態との間で遷移自在である。また、安全部材４２は、吸気管１２の外面１２ｇから突出するように形成され、通気孔１２ａの近傍に点在するように配される。

呼気弁４１は、呼気動作に対する応答性が遅くならない範囲で、できる限りマスク１３に近い位置に設けられていることが好ましい。具体的に、呼気弁４１は、吸気管１２におけるマスク１３からの長さが３００ｍｍ以内の位置に設けられていることが好ましく、１００ｍｍ以内の位置に設けられていることがより好ましい。すなわち、呼気弁４１は、口などの体内への入口からの呼気経路の道のりが３１０ｍｍ以内の位置に設けられていることが好ましく、１１０ｍｍ以内の位置に設けられていることがより好ましい。

図７には、第３実施形態に係る呼吸補助装置５０の構成が例示されている。呼吸補助装置５０は、呼気弁１５および複数の安全部材１６を、直接マスク１３に設けることに代えて、呼気弁５１および複数の安全部材５２を、排気筒５３を介してマスク１３に設けている。すなわち、排気筒５３は、その基端が呼気孔１３ａを覆うようにマスク１３に設けられている。排気筒５３の先端は、キャップ５４によって塞がれている。排気筒５３の中途部分には、通気孔５３ａが形成される。このため、排気筒５３は、呼気経路としても機能する。

図２Ａ〜２Ｄに示す呼気弁１５と同様の構造を有する呼気弁５１は、自身の変形方向、すなわち自身の厚み方向が排気筒５３の内面５３ｆに沿うように、かつ、自身の変形により側面が内面５３ｆを摺動するように、内面５３ｆに設けられる。このため、呼気弁５１は、ピエゾ素子の変形により、通気孔５３ａを開放する状態と、通気孔５３ａを塞ぐ状態との間で遷移自在である。また、安全部材５２は、排気筒５３の外面５３ｇから突出するように形成され、通気孔５３ａの近傍に点在するように配される。排気筒５３は、呼気動作に対する呼気弁５１の応答性が遅くならない範囲で、できる限り短く設定されていることが好ましい。具体的に、排気筒５３の長さは、５００ｍｍ以内であることが好ましく、３００ｍｍ以内であることがより好ましい。

図８には、第４実施形態に係る呼吸補助装置６０の構成が例示されている。呼吸補助装置６０は、呼気弁１５および複数の安全部材１６を、直接マスク１３に設けることに代えて、呼気弁６１および複数の安全部材６２を、排気筒６３を介して吸気管１２に設けている。すなわち、排気筒６３は、その基端が通気孔１２ａを覆うように吸気管１２に設けられている。また、排気筒６３の先端は、キャップ６４によって塞がれている。また、排気筒６３の中途部分には、通気孔６３ａが形成される。このため、吸気管１２は、呼気経路としても機能する。

図２Ａ〜２Ｄに示す呼気弁１５と同様の構造を有する呼気弁６１は、自身の変形方向、すなわち自身の厚み方向が排気筒６３の内面６３ｆに沿うように、かつ、自身の変形により側面が内面６３ｆに摺動するように、内面６３ｆに設けられる。このため、呼気弁６１は、ピエゾ素子の変形により、通気孔６３ａを開放する状態と、通気孔６３ａを塞ぐ状態との間で遷移自在である。また、安全部材６２は、排気筒６３の外面６３ｇから突出するように形成され、通気孔６３ａの近傍に点在するように配される。

排気筒６３は、呼気動作に対する呼気弁６１の応答性が遅くならない範囲で、できる限り短く設定されていることが好ましい。具体的に、排気筒６３の長さは、５００ｍｍ以内であることが好ましく、３００ｍｍ以内であることがより好ましい。また、排気筒６３は、できる限りマスク１３に近い位置に設けられていることが好ましい。具体的に、排気筒６３は、吸気管１２におけるマスク１３からの長さが１５０ｍｍ以内の位置に設けられていることが好ましく、５０ｍｍ以内の位置に設けられていることがより好ましい。すなわち、排気筒６３は、口などの体内への入口からの呼気経路の道のりが１６０ｍｍ以内の位置に設けられていることが好ましく、６０ｍｍ以内の位置に設けられていることがより好ましい。

図９には、第５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１０（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１０（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。

図１１には、第６実施形態に係る呼吸補助装置８０の構成が例示されている。呼吸補助装置８０は、供給源１１としてマイクロポンプ１００を備え、また、吸気経路として吸気管１２のみを備えている。そして、呼吸補助装置８０は、呼気弁１５および複数の安全部材１６をマスク１３に設けることに代えて、呼気弁８１および複数の安全部材８２を吸気管１２に設けている。このため、吸気管１２は、呼気経路としても機能する。呼気弁８１は、呼気動作に対する応答性が遅くならない範囲で、かつ、患者の口に挿入されない範囲で、できる限り吸気管１２の先端に近い位置に設けられていることが好ましい。さらに、呼吸補助装置８０は、気圧計１４をマスク１３内に設けることに代えて、気圧計８３を吸気管１２内に設けている。

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。

すなわち、上記各実施形態において、各構成の位置、大きさ、形状、数量は適宜変更できる。以下、第１実施形態を変形した場合を例に説明する。

具体的に、第１実施形態を変形した場合を例に説明する。図１２〜１３に示すように、マスク１３に形成された呼気孔１３ａと吸気孔１３ｂとは互いに近接するように設けられることが好ましい。ここで、「近接する」とは、ピエゾ素子１５ａの変形量よりも小さい範囲をいう。このため、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のみを塞ぐ状態（図１３（Ａ）参照）と、吸気孔１３ｂのみを塞ぐ状態（図１３（Ｂ）参照）との間で遷移自在である。これにより、マスク１３内の呼気をマスク１３の外部へ放出する状態と、吸気管１２からの吸気用ガスをマスク１３内へ送り出す状態との切り替えを確実に行うことができる。さらに、マスク１３の外面において呼気孔１３ａの近傍にて吸気管１２が突出するように形成されるため、吸気管１２が安全部材としても機能する。

また、図１４に示すように、複数の呼気孔１３ａをマスク１３に設けてもよい。これらの呼気孔１３ａは、マスク１３のうち吸気管１２の先端部の開口面と対向する部分に設けられる。また、マスク１３のうち吸気管１２の先端部の開口面と対向する部分には任意の基準位置ＸＰが設定され、基準位置ＸＰの周囲において呼気孔１３ａが並んでいてもよい。そして、マスク１３に形成された呼気孔１３ａごとに、当該呼気孔１３ａの開閉を行う呼気弁１５を設けることが好ましい。複数の呼気弁１５は、互いに独立して制御されて、それぞれの呼気孔１３ａを開閉する。このため、開放する呼気弁１５の数を変更することで、呼気の流量を調節できる。こうして、ピエゾ素子１５ａへの電圧の印加量を制御せずに、各ピエゾ素子１５ａに対する当該電圧のオン・オフを制御して、開放する呼気弁１５の数を変更するだけで、呼気の流量を段階的に調節できる。すなわち、簡単な制御で呼気の流量を調節できる。また、ピエゾ素子１５ａへの電圧の印加量を制御することで、更に滑らかに呼気の流量を調節できる。

上記実施形態では、開閉機構として、変形部材であるピエゾ素子１５ａを有する呼気弁１５を用い、この呼気弁１５が、ピエゾ素子１５ａの変形によって、自身の側面１５ｍ（図１参照）によって呼気孔１３ａを塞ぐ状態（図２Ｃ・２Ｄ参照）と、呼気孔１３ａを開放する状態（図２Ａ・２Ｂ参照）との間で遷移自在としたが、本発明はこれに限られず、呼気弁１５の自由端側に設けられた蓋８５を用いて、呼気孔１３ａの開閉を行ってもよい。この場合、呼気弁１５と蓋８５とによって開閉機構が形成される（図１５参照）。蓋８５は、内面１３ｆを摺動する摺動面を有し、呼気弁１５の変形方向、すなわち呼気弁１５の厚み方向がマスク１３の内面１３ｆに沿うように、かつ、呼気弁１５の変形により摺動面が内面１３ｆを摺動するように配される。

あるいは、上記第１〜第４実施形態において、供給源１１として、ガスタンク１９などに代えてマイクロポンプ１００を備えるようにしてもよい。上記第５および第６実施形態の場合を含めた上記各実施形態において、マイクロポンプ１００を複数備え、それらを直列もしくは並列に配置したり、あるいはマトリクス状に配置したりするようにしてもよい。

あるいは、上記第１〜第５実施形態において、吸気経路および呼気経路として、口および鼻を覆うマスク１３を備えているが、そのマスク１３に代えて、鼻に取り付ける鼻ピースなどの装着具を備えるようにしてもよい。

なお、呼気孔１３ａや吸気孔１３ｂ（図１４参照）の形状は、円形（図１５参照）、楕円形、多角形、スリット状（図２Ａ〜２Ｄ参照）など、用途に応じて適宜決めればよい。

また、温度の変化で孔の開閉を行う場合には、開閉機構としてバイメタルを用いてもよい。この場合、制御ユニットコントローラは不要となる点でメリットがある。そして、開状態と閉状態との間で遷移自在となるように、それぞれの材料の熱膨張率・形状・寸法を決定すればよい。

上記実施形態では、呼気孔１３ａが全開の状態（図２Ａ・２Ｂ参照）と、呼気孔１３ａが全閉の状態（図２Ｃ・２Ｄ参照）との間で呼気弁１５を変形させたが、用途によっては、呼気孔１３ａの開口量がＡである状態と、呼気孔１３ａの開口量がＡよりも大きいＢである状態との間で呼気弁１５を変形させてもよい。これにより、呼気の流量を段階的に調節できる。

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、個体が通る孔の開閉にも適用可能である。

さらに、別の実施形態について説明する。図１６に示す呼吸補助装置１０は、呼吸用の気体が通過する流路７０２と、この流路７０２内に配置されて、呼気方向及び吸気方向にそれぞれ加速用の空気を放出可能な呼気ノズル７０４及び吸気ノズル７０６と、流路７０２の外表面に周方向に沿って配置されるポンプユニット７０８と、このポンプユニット７０８を駆動するバッテリ７１０を備えて構成される。流路７０２内に配置される呼気及び吸気ノズル７０４、７０６の近傍には、それぞれ、ベンチュリー壁７２０が配置される。ベンチュリー壁７２０は、吸気ノズル７０４から吸気方向に向かって延説される部分と、呼気ノズル７０６から呼気方向に向かって延説される部分とを有する。
なお、バッテリ７１０については、離れた場所に配置したり、電源ラインを接続することで省略したりすることもできる。

ポンプユニット７０８は、複数（例えば４個）のマイクロポンプ１００が配置されている。このポンプユニット７０８は、全てのマイクロポンプ１００によって搬送される空気が最終的に吐出される部位となる統合吐出口（図示省略）を備える。この統合吐出口には、呼吸切替弁７２５が配置される。この呼吸切替弁７２５は、前述の呼気弁１５と同様の構造を有し、吸気ノズル７０６を塞ぐ状態と呼気ノズル７０４を塞ぐ状態との間で切り替え自在である。呼吸切替弁７２５が吸気ノズル７０６を塞ぐと、図１７（Ａ）に示されるように、ポンプユニット７０８から送り出された空気は、呼気ノズル７０４から放出される。呼気ノズル７０４から放出された空気がベンチュリー壁７２０によって広がることで呼気側が負圧状態となり、吸気側（肺側）から排出される二酸化炭素を呼び込んで、呼気方向に流す。結果、呼気動作を補助することができる。一方、図１７（Ｂ）に示されるように、呼吸切替弁７２５が呼気ノズル７０４を塞ぐと、ポンプユニット７０８から送り出された空気は、吸気ノズル７０６から放出される。吸気ノズル７０６から放出された空気はベンチュリー壁７２０によって広がることで吸気側が負圧状態となり、呼気側から供給される酸素を吸い込んで呼気方向（肺側）に流れる。結果、呼気動作を補助することができる。

更に、ポンプユニット７０８から呼気及び吸気ノズル７０４、７０６までの距離が短くなるので、呼吸補助動作の応答性を高めることが出来る。

上記実施形態では、図２Ａ〜２Ｄに示されるように、呼気弁１５として、ピエゾ素子（圧電素子）１５ａと金属板１５ｂとからなるモノモルフ（ユニモルフ）構造のものを用い、ピエゾ素子１５ａへの電圧印加のオン・オフによって、延びた状態（図２Ａ・２Ｂ参照）と、反った状態（図２Ｃ・２Ｄ参照）との間で、ピエゾ素子１５ａを切り替えた。ところが、電圧印加のオン・オフ制御におけるピエゾ素子１５の挙動は、自身の厚み方向における変形のみならず、自身の幅方向（内面１３ｆからの高さ方向）においても変形する。このため、ピエゾ素子１５ａへの電圧印加のオン・オフが繰り返し行われると、自身の幅方向における変形に起因して、呼気弁１５と内面１３ｆとの間に隙間ができてしまう。この結果、呼気弁１５は、呼気孔１３ａを閉じることができなくなってしまう。

かかる場合には、図１８〜１９に示されるように、呼気弁１５の一端を保持可能な保持用溝２２ｍを固定部材２２に形成するとともに、呼気弁１５を内面１３ｆに向けて付勢するバネ２２ｓを保持用溝２２ｍに配することが好ましい。

保持用溝２２ｍは、固定部材２２の側面において、呼気弁１５の一端が挿入可能な大きさに形成されるものであり、内面１３ｆからの高さ方向（呼気弁１５の幅方向）へ延びる。また、呼気弁１５の幅方向における保持用溝２２ｍの寸法は、呼気弁１５よりも長い。さらに、保持用溝２２ｍは、一端側、すなわち固定部材２２の上面（下面と反対側の面）２２ｕ側が閉じている一方、他端側、すなわち固定部材２２の下面（内面１３ｆと接している面）２２ｌ側は、下面２２ｌにて開口する。

バネ２２ｓは、保持用溝２２ｍにおいて、呼気弁１５の一端よりも上面２２ｕ側に配されるものであり、片方の端は、保持用溝２２ｍの上面２２ｕ側の面に当接し、他方の端は、呼気弁１５の上面２２ｕ側の面に当接する。したがって、バネ２２ｓは、呼気弁１５を下方に、すなわち内面１３ｆに向けて付勢する。

このように、呼気弁１５を内面１３ｆに向けて付勢するバネ２２ｓを配したため、ピエゾ素子１５ａの変形が繰り返し行われた場合であっても、呼気弁１５と内面１３ｆとの間に隙間が形成されにくくなる。この結果、呼気弁１５による呼気孔１３ａの閉じ操作を確実に行うことができる。

また、図１５に示されるように、呼気弁１５の自由端側に設けられた蓋８５を用いて、呼気孔１３ａの開閉を行なう場合には、蓋８５を内面１３ｆに向けて付勢するバネを、呼気弁１５の自由端と蓋８５との間に設けてもよい。

Claims (10)

1. 呼吸補助装置に設けられ、
   吸気又は呼気の流体が通過する孔が開口する仕切面を有する仕切部材と、
   前記仕切面に沿う面方向に変形自在な変形部材を有する開閉機構と、を備え、
   前記開閉機構は、前記変形部材の変形によって、前記孔の開口量が互いに異なる第１状態及び第２状態との間で遷移自在であり、
   前記変形部材は、厚さ方向において変形自在の板状の圧電素子として形成され、
   前記厚さ方向が前記仕切面の面方向に沿うように、前記変形部材が前記仕切面の面方向に対して起立配置されることを特徴とする開閉具。
2. 前記孔はスリット状に形成され、
   前記変形部材は自身の側面で前記孔を覆うことを特徴とする請求項１記載の開閉具。
3. 前記開閉機構は前記変形部材の自由端側に設けられた蓋を有し、
   前記蓋を移動させることで前記孔を覆うことを特徴とする請求項１ないし２のうちいずれか１項記載の開閉具。
4. 前記仕切面には第１の前記孔と第２の前記孔とが開口し、
   前記開閉機構は、共通の前記変形部材を変形させることで、２つの状態に遷移自在であり、
   前記２つの状態のうち一方の状態における前記第１の孔の開口量は、他方の状態における前記第１の孔の開口量と異なり、前記２つの状態のうち一方の状態における前記第２の孔の開口量は、他方の状態における前記第２の孔の開口量と異なることを特徴とする請求項１ないし３のうちいずれか１項記載の開閉具。
5. 前記圧電素子の変形を制御するコントローラを備えた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。
6. 前記仕切面に向けて前記開閉機構を付勢する付勢機構を備えたことを特徴とする請求項１ないし５のうちいずれか１項記載の開閉具。
7. 請求項１ないし６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。
8. 前記マスクに対して前記仕切面及び該仕切面の前記孔が形成されたことを特徴とする請求項７記載の呼吸補助装置。
9. 前記連通管に対して前記仕切面及び該仕切面の前記孔が形成されたことを特徴とする請求項７記載の呼吸補助装置。
10. 前記孔は、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７ないし９のうちいずれか１項記載の呼吸補助装置。

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