JP6521075B2 - 送風装置 - Google Patents

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Description

本発明は、気体を送風する送風装置に関するものである。
従来、睡眠時無呼吸症候群の治療法として、患者の鼻に装着したマスクから空気を送りこむことによって、一定の圧力を患者の気道にかける持続的気道陽圧療法(CPAP)が行われている。持続的気道陽圧療法(CPAP)では、空気を送風する送風装置が用いられる。
例えば特許文献1は、ブロワ(送風部)を備える送風装置を開示している。ブロワは、ファンとファンを回転させるモータとを有する。送風装置は、例えば患者が寝ている間にモータを駆動してファンを回転させる。これにより送風装置は、ファンからマスクに空気を送り、患者の気道を一定の圧力に保つ。ここで、モータが駆動している間、ブロワから騒音や振動が発生する。
そこで、特許文献1の送風装置は、ブロワをエンクロージャで覆い、さらにエンクロージャをケースで覆っている。エンクロージャは、金属とポリマーの複合材料で構成されている。ケースは、樹脂で構成されている。これにより、特許文献1の送風装置は、ブロワから発生する騒音や振動がケースの外部に漏れることを防止している。
特表2008−518640号公報
しかしながら、ブロワ(送風部)を多重に覆うことで送風装置の重量が増える。そのため、特許文献1の送風装置は、ユーザが送風装置を移動させたり持ち運んだりすることが困難である。
そこで本発明は、重量の増加を抑えつつ、送風部から発生する騒音や振動を大幅に減衰できる送風装置を提供することを目的とする。
本発明の送風装置は、送風部と、第1回路基板と、筺体とを備える。送風部は、ファンとファンを回転させるモータとを有する。第1回路基板は、モータの駆動を制御する制御回路を実装するとともに、ファンの回転軸と交差する。筺体は、吸気孔及び排気孔を有するとともに、送風部及び第1回路基板を収納する。第1回路基板は、第1回路基板を正面視したとき、送風部と重なる。
この構成では、モータが駆動している間、送風部から騒音や振動が発生する。また、ファンは、回転軸に対して放射状に伸びる複数の羽根を有する。そのため、ファンの直径は、ファンの厚みより長い。すなわち、ファンの上面の面積はファンの側面の面積より大きい。
この構成では、第1回路基板がファンの回転軸と交差し、少なくとも送風部の一部を覆っている。すなわち、この構成では、送風部の側面が筐体で一重に覆われ、送風部の上面が第1回路基板及び筐体で多重に覆われている。そのため、この構成の送風装置は、面積の広い送風部の上面から伝わる騒音や振動を大幅に減衰できる。また、この構成の送風装置は、面積の狭い送風部の側面を多重に覆っていない分、軽量化できる。
したがって、この構成の送風装置は、重量の増加を抑えつつ、送風部から発生する騒音や振動を大幅に減衰できる。
本発明の送風装置は、ファンの回転軸と交差するとともに筐体に収納される第2回路基板を備え、送風部は、第1回路基板および第2回路基板の間の領域に位置することが好ましい。
この構成ではさらに、送風部の下面が第2回路基板及び筐体で多重に覆われている。そのため、この構成の送風装置は、面積の広い送風部の下面から伝わる騒音や振動を大幅に減衰できる。
本発明の送風装置において筺体は、第1回路基板を固定する固定部を有し、第1回路基板と固定部とは、弾性体を挟んで接着されていることが好ましい。
この構成の送風装置は、第1回路基板と固定部との間から漏れる騒音を弾性体で遮断できる。
本発明の送風装置において制御回路は、特定の帯域の信号を減衰させるフィルタ回路を含むことが好ましい。
この構成の送風装置は、送風部により生じる騒音や振動の発生を抑制することができる。
本発明の送風装置は、モータの駆動により生じる音または振動の周波数を検知するセンサを備え、制御回路は、センサが出力する検知結果に基づいてフィルタ回路の設定を行うことが好ましい。
この構成の送風装置は、送風部により生じる騒音や振動の周波数を特定し、その周波数をフィルタ回路に設定できる。
本発明の送風装置は、送風部から発生する第1の音を検出するマイクロフォンと、
マイクロフォンで検出した第1の音とは逆位相の第2の音を発生させる消音スピーカと、を備え、消音スピーカは、吸気孔に向いた状態で筐体に収納されていることが好ましい。
この構成の送風装置は、吸気孔から漏れる騒音を消音スピーカで打ち消すことができる。
本発明の送風装置においてファンは、回転軸に対して放射状に伸びる複数の羽根を有し、排気孔は、回転軸に対して複数の羽根より外周に位置し、排気孔の直径は回転軸と平行方向の各羽根の長さより大きいことが好ましい。
この構成では、ファンから排出された気体が、他の部材に当たらず直接、排気孔へ流れ易い。そのため、この構成の送風装置は、ファンから排出された気体を効率良く排気孔から排出できる。また、この構成の送風装置は、気体が他の部材に当たり難いため、静音化を図ることができる。
本発明の送風装置は、重量の増加を抑えつつ、送風部から発生する騒音や振動を大幅に減衰できる。
本発明の実施形態に係る送風装置100の外観斜視図である。 図1に示す送風装置100の主要部の断面図である。 図1に示す送風装置100の内部の外観斜視図である。 図1に示す送風装置100のブロック図である。 ノッチフィルタ37を設けていないときの制御系ループの振動周波数特性図である。 ノッチフィルタ37の周波数特性図である。 ノッチフィルタ37を設けたときの制御系ループの振動周波数特性図である。 ノッチフィルタ37を設けていないときの制御系ループの騒音周波数特性図である。 ノッチフィルタ37の周波数特性図である。 ノッチフィルタ37を設けたときの制御系ループの騒音周波数特性図である。
以下、本発明の実施形態に係る送風装置について説明する。
図1は、本発明の実施形態に係る送風装置100の外観斜視図である。図2は、図1に示す送風装置100の主要部の断面図である。図3は、上筐体115及び第1回路基板131が中筐体110から取り外された状態における送風装置100の内部の外観斜視図である。
送風装置100は、送風部120、第1回路基板131、第2回路基板132、センサ129、マイクロフォン141、消音スピーカ140、チューブT、マスクM、上筐体115、中筐体110、及び下筐体105を備える。送風装置100は、睡眠時無呼吸症候群の治療法である持続的気道陽圧療法(CPAP)に用いられる。
なお、上筐体115、中筐体110、及び下筐体105は、本発明の筐体の一例に相当する。
上筐体115、中筐体110、及び下筐体105は互いに接合されて、1つの筐体を構成する。下筐体105は、吸気孔106を有する。中筐体110は、チューブTが装着されるノズル112を有し、ノズル112の内側に排気孔111を有する。排気孔111は、図1に示すように、チューブTを介してマスクMに接続される。
上筐体115、中筐体110、及び下筐体105は、送風部120、第1回路基板131、第2回路基板132、センサ129、マイクロフォン141、及び消音スピーカ140を収納する。
上筐体115は、上筐体115の内側に向けて突出する固定部116を有する。第1回路基板131は、固定部116上に載置されるとともに、弾性体(例えばゴム)を挟んで固定部116に接着されている。そのため、送風装置100は、第1回路基板131と固定部116との間から漏れる送風部120の騒音を弾性体で遮断できる。
中筐体110は、取付板124を有している。取付板124は振動を吸収する素材、例えばエラストマーや鋼板で構成される。取付板124には、送風部120及びセンサ129が取り付けられている。
センサ129は、例えば加速度センサである。センサ129は、送風部120により生じる音または振動の周波数を検知する。第2回路基板132は、下筐体105上に載置されるとともに、弾性体(例えばゴム)を挟んで固定部116に接着されている。
送風部120は、ファン121とファン121を回転させるモータ125とを有する。ファン121は、回転軸Rに対して放射状に伸びる複数の羽根123を有する。排気孔111は、図2、図3に示すように、回転軸Rに対して複数の羽根123より外周に位置する。また、排気孔111の直径が各羽根123の回転軸と平行方向の長さより大きい。送風部120は、第1回路基板131および第2回路基板132の間の領域に位置する。
第1回路基板131は、複数の層からなる多層基板である。第1回路基板131は、ファン121の回転軸Rと垂直に交差する。第1回路基板131は、第1回路基板131を上筐体115側から正面視したとき、送風部120を覆う。
第2回路基板132は、複数の層からなる多層基板である。第2回路基板132は、ファン121の回転軸Rと垂直に交差する。第2回路基板132は、第2回路基板132を下筐体105側から正面視したとき、送風部120を覆う。
以上の構成において送風装置100は例えば図1に示すように、患者Uが寝ている間にモータ125を駆動してファン121を回転させる。空気は、ファン121が回転することで、吸気孔106から吸引され、ファン121の下方から流入する。そして、空気は、ファン121の外周から回転軸Rに対して放射状に排気孔111に向けて排出される。
次に、排気孔111から排出された空気は、チューブTを介して、患者Uの鼻に装着したマスクM内に流入する。マスクM内に流入した空気は、患者Uの口又は鼻から気道に流入する。これにより送風装置100は、一定の圧力(例えば4cmHO以上20cmHO以下)を患者Uの気道にかけることができる。そのため、送風装置100は、睡眠時に患者Uの気道が閉塞することを防止し、患者Uが無呼吸になることを防ぐことができる。
しかし、送風装置100は、一定の圧力を患者Uの気道にかけるために、前述のモータ125を高速で回す必要がある。これにより、モータ125の反動トルクが大きくなる。そのため、反動トルクが送風部120の共振周波数を励起し、送風部120の振動が引き起こされやすくなる。また、ファン121は、「ファン121の回転速度×羽根の枚数」に相当する周波数とこの周波数の整数倍とにおいて、振動音や大きな風切り音などの騒音を発生する可能性がある。
したがって、モータ125が駆動している間、患者Uが寝ているにも係らず、送風部120から騒音や振動が発生する可能性がある。
図4は、図1に示す送風装置100のブロック図である。図5は、ノッチフィルタ37を設けていないときの制御系ループの振動周波数特性図である。図6は、ノッチフィルタ37の周波数特性図である。図7は、ノッチフィルタ37を設けたときの制御系ループの振動周波数特性図である。図8は、ノッチフィルタ37を設けていないときの制御系ループの騒音周波数特性図である。図9は、ノッチフィルタ37の周波数特性図である。図10は、ノッチフィルタ37を設けたときの制御系ループの騒音周波数特性図である。
送風装置100は、図4に示すように、センサ129、表示部81、操作部82、制御回路30、駆動回路21、モータ125、消音スピーカ140、マイクロフォン141を備えている。モータ125は、ホールセンサ11を内部に有する。
センサ129、表示部81、操作部82、制御回路30、及び駆動回路21は、第1回路基板131に実装されている。消音スピーカ140及びマイクロフォン141は、第2回路基板132に実装されている。第2回路基板132は、不図示の配線を介して第1回路基板131に電気的に接続している。
表示部81は、図1に示す表示画面181を有する。表示部81は、送風装置100の設定情報等を表示画面181に表示する。例えば表示部81は、制御回路30の指示に基づいて例えば患者Uの気道に印加する空気の圧力(設定圧力)を表示画面181に表示する。
操作部82は、図1に示すように、操作入力を受け付ける複数の操作キー182を有する。複数の操作キー182は、例えば電源キーや圧力設定キーなどを含む。例えば医療従事者は、患者Uの気道に印加する空気の圧力を、複数の操作キー182で設定する。
マイクロフォン141は、送風部120から発生する第1の音を検出し、第1の音を示す第1音声信号を制御回路30に出力する。制御回路30は、マイクロフォン141で検出した第1の音とは逆位相の第2の音を示す第2音声信号を生成し、消音スピーカ140に出力する。
消音スピーカ140は、第2音声信号を処理し、マイクロフォン141で検出した第1の音とは逆位相の第2の音を発生させる。消音スピーカ140は、吸気孔106に向いている。そのため、送風装置100は、吸気孔106から漏れる騒音を消音スピーカ140で打ち消すことができる。
なお、排気孔111は、チューブTを介してマスクMに接続するため、騒音は排気孔111から殆ど漏れ無い。そのため、送風装置100では、吸気孔106だけに向けて、消音スピーカ140が配置されている。
制御回路30は、圧力検出部42、圧力指示部31、減算部32、速度検出部17、速度指示部34、減算部35、速度制御部36、及びノッチフィルタ37を有している。ノッチフィルタ37が本発明のフィルタ回路の一例に相当する。
送風装置100には排気孔111に圧力センサ41が設けられている。圧力検出部42は、圧力センサ41の出力から現時点の空気の圧力を検出し、現時点の空気の圧力を示す値を減算部32に出力する。一方、圧力指示部31は、例えば操作部82において予め設定された空気の圧力(処方圧)を示す値を減算部32に出力する。減算部32は、予め設定された空気の圧力(処方圧)を示す値から、現時点の空気の圧力を示す値を減算して、偏差信号を速度指示部34に出力する。
すなわち制御回路30は、圧力センサ41の出力に基づいて、患者Uの気道に印加される空気の圧力を監視し、圧力制御を行う。ここで、患者Uが呼吸することにより、空気の流量が変化する。その場合でも患者Uの気道に印加される空気の圧力が一定に保たれるように圧力制御が稼働し、速度指示部34は、モータ125の目標回転速度Yを表す信号を生成する。
モータ125の目標回転速度Yは、予め設定された空気の圧力(処方圧)となるように圧力制御が稼働し、速度指示部34に設定される。モータ125の回転速度は、ファン121の回転数に対応する。患者Uの気道に印加される空気の圧力は、ファン121の回転数に依存する。
すなわち、ファン121の回転数の上昇とともに、患者Uの気道に印加される空気の圧力が上昇する。なお、速度指示部34は、患者Uが呼気した時に予め決められただけ圧力を下げることで、患者Uの負担を低減させることも可能である。
そして、速度指示部34は、モータ125の目標回転速度Yを表す信号を減算部35に出力する。
なお、前述の圧力センサ41は排気孔111ではなく、チューブT内やマスクM内など、より患者に近い位置に設けることで、圧力損失等による誤差が低減でき、圧力制御の精度が向上する。
減算部35の正側入力には、速度指示部34から、モータ125の目標回転速度Yを表す信号が入力される。一方、減算部35の負側入力には、速度検出部17によって検出されたモータ125の現時点の回転速度Xを表す信号が入力される。減算部35は、目標回転速度Yを表す信号から、モータ125の現時点の回転速度Xを表す信号を減算して、偏差信号Y−Xを速度制御部36に出力する。
速度制御部36は、偏差信号Y−Xが「0」となるように、モータ125において発生させるトルクを算出する。そして、速度制御部36は、算出したトルクを表すトルク指令をノッチフィルタ37に出力する。この場合、速度制御部36は例えば、偏差信号Y−Xにゲインを乗算して、比例制御に基づくトルク指令を算出する。
ノッチフィルタ37は、特定の周波数帯域の信号に対して減衰効果の高いフィルタである。制御回路30は、例えば図5に示すように、送風部120にとって固有の共振周波数であるピークP1、P2に対応した周波数をノッチフィルタ37に予め設定する。これによりノッチフィルタ37は、例えば図6に示すような周波数特性を有する。そのため、ノッチフィルタ37は、速度制御部36から入力されたトルク指令から、ピークP1、P2に対応した周波数成分を除去する。
また、制御回路30は、例えば図8に示すように、送風部120から発生する騒音の周波数のピークP5、P6に対応した周波数をノッチフィルタ37に予め設定する。ファン121は、「ファン121の回転速度×羽根の枚数」に相当する周波数とこの周波数の整数倍とにおいて、振動音や大きな風切り音などの騒音を発生する。これによりノッチフィルタ37は、例えば図9に示すような周波数特性を有する。そのため、ノッチフィルタ37は、速度制御部36から入力されたトルク指令から、ピークP5、P6に対応した周波数成分を除去する。
そして、ノッチフィルタ37は、フィルタ処理されたトルク指令を駆動回路21に出力する。
なお、センサ129が、送風部120にとって固有の共振周波数であるピークP1、P2に対応した周波数を検知し、制御回路30は、センサ129が出力する検知結果に基づいてノッチフィルタ37の設定を行っても良い。この場合、送風装置100は、送風部120により生じる振動の周波数をセンサ129で特定し、その周波数をノッチフィルタ37に設定できる。
駆動回路21は、ノッチフィルタ37を通過したトルク指令を、モータ125に前記トルクを発生させるための電流値に変換する。そして、駆動回路21は、変換した電流値を表す駆動電流をモータ125に供給する。これにより、モータ125は、前記トルクで回転する。一方、前述のフィルタ処理により、ピークP1、P2、P5、P6に対応する電流値はほぼ0となるため、ピークP1、P2、P5、P6に対応する周波数ではモータ125が殆ど加減速しない。
次に、ホールセンサ11は、モータ125の内部で生じる磁界を検出し、磁界の大きさに比例したアナログ信号を速度検出部17に出力する。このアナログ信号は、モータ125に備えられるロータ(不図示)の位置を示す。速度検出部17は、ホールセンサ11から入力されたアナログ信号に基づいて、モータ125の現時点の回転速度Xを検出する。そして、速度検出部17は、モータ125の現時点の回転速度Xを表す検出信号を、前述のように減算部35に出力する。すなわち、モータ125の現時点の回転速度Xが減算部35にフィードバックされる。
以上のようなフィードバック制御により、モータ125は、目標回転速度Yまで回転制御される。このとき、ノッチフィルタ37は、モータ125を駆動制御するためのトルク指令から、送風部120の共振周波数および騒音周波数を除去する。
これにより、例えば図5、図7に示すように、ピークP1、P2を示す周波数の信号は、ノッチフィルタ37によって減衰し、ピークP3、P4を示す周波数の信号となる。したがって、送風装置100は、送風部120の共振振動の発生を抑制できる。
さらに、例えば図8、図10に示すように、ピークP5、P6を示す周波数の信号は、ノッチフィルタ37によって減衰し、ピークP7、P8を示す周波数の信号となる。したがって、送風装置100は、送風部120の騒音の発生を抑制できる。
また、送風装置100においてファン121は、回転軸Rに対して放射状に伸びる複数の羽根123を有する。そのため、ファン121の直径は、ファン121の厚みより長い。すなわち、ファン121の上面の面積はファン121の側面の面積より大きい。
送風装置100では、第1回路基板131がファン121の回転軸Rと交差し、送風部120を覆っている。すなわち、送風装置100では、送風部120の側面が中筐体110で一重に覆われ、送風部120の上面が第1回路基板131及び上筐体115で多重に覆われている。そのため、送風装置100は、面積の広い送風部120の上面から伝わる騒音や振動を大幅に減衰できる。また、送風装置100は、面積の狭い送風部120の側面を多重に覆っていない分、軽量化できる。
したがって、送風装置100は、重量の増加を抑えつつ、送風部120から発生する騒音や振動を大幅に減衰できる。
さらに、送風装置100では送風部120の下面が第2回路基板132及び下筐体105で多重に覆われている。そのため、送風装置100は、面積の広い送風部120の下面から伝わる騒音や振動を大幅に減衰できる。
なお、排気孔111は、図2、図3に示すように、回転軸Rに対して複数の羽根123より外周に位置する。また、排気孔111の直径が各羽根123の回転軸と平行方向の長さより大きい。そして、ファン121が回転している間、空気は、ファン121の外周から排気孔111を経て、筐体の外へ排出される。そのため、ファン121から排気孔111に至る空気が、他の部材にあまり当たらず直接、排気孔111へ流れ易い。よって、送風装置100は、空気を効率良く排気孔111から排出できる。また、送風装置100は、空気が他の部材に当たり難いため、静音化を図ることができる。
《その他の実施形態》
なお、前記実施形態では気体として空気を用いているが、これに限るものではない。実施の際、当該気体が、空気と酸素の混合気体であっても適用できる。
また、前記実施形態では第1回路基板131は、第1回路基板131を上筐体115側から正面視したとき、送風部120の全体と重なっているが、これに限るものではない。実施の際、第1回路基板131は、第1回路基板131を上筐体115側から正面視したとき、送風部120の一部と重なっているだけでもよい。
また、前記実施形態では持続的気道陽圧療法(CPAP)の用途に送風装置が用いられるが、これに限るものではない。実施の際、その他の用途(例えば機械的人口呼吸の用途)に送風装置が用いられてもよい。
また、この実施形態ではモータ125がホールセンサ11を有しているが、これに限るものではない。実施の際、モータ125は、ホールセンサ11又はエンコーダの少なくともいずれか一方を有していればよい。エンコーダは、モータ125の回転角度位置に応じた回転信号を速度検出部17に出力する。
なお、上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲は、特許請求の範囲と均等の範囲とを含む。
M…マスク
R…回転軸
T…チューブ
U…患者
11…ホールセンサ
17…速度検出部
21…駆動回路
30…制御回路
31…圧力指示部
32…減算部
34…速度指示部
35…減算部
36…速度制御部
37…ノッチフィルタ
41…圧力センサ
42…圧力検出部
81…表示部
82…操作部
100…送風装置
105…下筐体
106…吸気孔
110…中筐体
111…排気孔
112…ノズル
115…上筐体
116…固定部
120…送風部
121…ファン
123…羽根
124…取付板
125…モータ
129…センサ
131…第1回路基板
132…第2回路基板
140…消音スピーカ
141…マイクロフォン
181…表示画面
182…操作キー

Claims (6)

  1. ファンと前記ファンを回転させるモータとを有する送風部と、
    前記モータの駆動を制御する制御回路を実装するとともに、前記ファンの回転軸と交差する第1回路基板と、
    吸気孔及び排気孔を有するとともに、前記送風部及び前記第1回路基板を収納する筺体と、を備え、
    前記排気孔は、前記ファンの外周に面して位置し、
    前記第1回路基板は、前記第1回路基板を正面視したとき、前記送風部の全体と重なり、
    前記ファンの回転軸と交差するとともに前記筺体に収納される第2回路基板を備え、
    前記送風部は、前記第1回路基板および前記第2回路基板の間の領域に位置することを特徴とする送風装置。
  2. 前記筺体は、前記第1回路基板を固定する固定部を有し、
    前記第1回路基板と前記固定部とは、弾性体を挟んで接着されていることを特徴とする請求項1に記載の送風装置。
  3. 前記制御回路は、特定の帯域の信号を減衰させるフィルタ回路を含むことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の送風装置。
  4. 前記モータの駆動により生じる音または振動の周波数を検知するセンサを備え、
    前記制御回路は、前記センサが出力する検知結果に基づいて前記フィルタ回路の設定を行うことを特徴とする請求項3に記載の送風装置。
  5. 前記送風部から発生する第1の音を検出するマイクロフォンと、
    前記マイクロフォンで検出した前記第1の音とは逆位相の第2の音を発生させる消音スピーカと、を備え、
    前記消音スピーカは、前記吸気孔に向いた状態で前記筺体に収納されていることを特徴とする請求項1からのいずれか1項に記載の送風装置。
  6. 前記ファンは、前記回転軸に対して放射状に伸びる複数の羽根を有し、
    前記排気孔は、前記回転軸に対して前記複数の羽根より外周に位置し、
    前記排気孔の直径は、前記回転軸と平行方向の各羽根の長さより大きいことを特徴とする請求項1からのいずれか1項に記載の送風装置。
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