JPWO2014174957A1 - カフ圧制御装置 - Google Patents

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Abstract

カフ圧制御装置（１００）は、空気供給チューブ（１２５）を介して前記カフ（１０）に接続されている。カフ圧制御装置（１００）は、制御部（１１１）と、カフ圧検出部（１１３）と、駆動回路（１１９）と、カフ圧検出部（１１３）と、圧電ポンプ（１０１）と、逆止弁（１２１）と、排気弁（１２２）と、を備える。カフ圧検出部（１１３）は、カフ（１０）のカフ圧を検出する。駆動回路（１１９）は、圧電ポンプ（１０１）を、１５ｋＨｚ以上の駆動周波数で駆動する。制御部（１１１）は、カフ圧検出部（１１３）の検出結果に基づいて、カフ圧が所定の範囲になるよう、カフ圧検出部（１１３）、駆動回路（１１９）、及び排気弁（１２２）を制御する。

Description

本発明は、カフ内の圧力を制御するカフ圧制御装置に関するものである。
従来、人工呼吸器に関する医療分野において、医師等の作業者が挿管チューブを口腔や鼻腔から被検体（主に人体）の気管内に挿入して気道を確保し、挿管チューブを介して酸素を肺に送り込む気管挿管が知られている。
挿管チューブと気管の内壁との間に隙間が生じると、気管内に胃液や唾液等の分泌物が流入し、被検体が人工呼吸器関連肺炎（ＶＡＰ；Ｖｅｎｔｉｌａｔｏｒ−ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ ｐｎｅｕｍｏｎｉａ。以下「ＶＡＰ」と称する。）を発症するおそれがある。このような分泌物の流入を防止するため、挿管チューブの外壁にはカフが設けられる。
このカフは、カフ内に気体が供給されて膨張する。カフが膨張することにより、カフの外周面が気管の内壁に接触して気管を閉塞する。このようにして、従来では、挿管チューブにより気道を確保しつつ、カフにより気管への分泌物の流入を防止している。
このカフの内圧（以下「カフ圧」と記述する。）が所定の範囲外の値となったとき、次のような問題が生じることが知られている。
例えば、カフ圧が所定の範囲より大きくなったとき、膨張したカフが気管の粘膜組織の血管を圧迫することとなる。血管が圧迫されると虚血状態となり、その結果、壊死、出血等が引き起こされるおそれがある。
一方、カフ圧が所定の範囲より小さくなったとき、カフの膨張が不十分となり、カフの外周面と気管の内壁との間に隙間が生じて、気管内に唾液や胃液等の分泌物が流入することがある。
そこで、特許文献１では、カフ内の圧力が所定の範囲になるよう制御するカフ圧制御装置が開示されている。
図９は、特許文献１に係るカフ圧制御装置９００の主要部の構成を示すブロック図である。カフ９０の内圧（以下「カフ圧」と記述する。）は、カフ圧制御装置９００により制御される。カフ圧制御装置９００は、制御系９１０と、カフ圧調整部９２０とを有する。
制御系９１０は、制御部９１１と、カフ圧検出部９１３と、報知部９１６と、を有する。制御部９１１は、カフ圧検出部９１３の検出結果に基づいて、カフ圧制御装置９００内の各部を制御する。
カフ圧検出部９１３は、気体供給チューブ９２５に通じるカフ圧検出チューブ９１８を介して接続される。カフ圧検出部９１３は、カフ９０のカフ圧を検出する。そして、制御部９１１は、そのカフ圧をカフ圧検出部９１３から読み取る。
報知部９１６は、制御部９１１により駆動され、例えばカフ９０の異常等を作業者に報知するアラーム音を出力する。
カフ圧調整部９２０は、加圧ポンプ９２６と、安全弁９２７と、一方弁９２１と、排気弁９２２と、流量調整バルブ９２３と、リザーバタンク９２４とを有する。加圧ポンプ９２６、一方弁９２１、安全弁９２７、排気弁９２２、流量調整バルブ９２３及びリザーバタンク９２４は、この順に接続されている。
加圧ポンプ９２６は、制御部９１１により駆動され、気体供給チューブ９２５を介してカフ９０を加圧する電動式ポンプである。加圧ポンプ９２６は、制御部９１１の制御のもとで、カフ９０への加圧の大きさや速度が設定される。一方弁９２１は、加圧ポンプ９２６の下流に接続され、カフ９０側から加圧ポンプ９２６への気体の逆流を防止する。
排気弁９２２は、制御部９１１により制御されて開放及び閉塞する。排気弁９２２は、開放状態において、気体供給チューブ９２５を介してカフ９０内の気体を大気に開放してカフ９０を減圧する。
流量調整バルブ９２３は、気体供給チューブ９２５を介してカフ９０に供給される気体の量を調整する。リザーバタンク９２４は、流量調整バルブ９２３の下流に接続され、カフ９０のカフ圧変動を吸収する。
以上の構成においてカフ圧制御装置９００は、加圧ポンプ９２６とカフ９０の間に流量調整バルブ９２３を備え、カフ圧検出部９１３による検出結果に基づいて、カフ９０のカフ圧が所定の範囲になるよう、流量調整バルブ９２３、加圧ポンプ９２６及び排気弁９２２の駆動を制御する。そして、カフ圧制御装置９００は、カフ圧が所定の範囲にならないとき、異常を報知部９１６によって報知する。
特開２０１１−１９４２２２号公報
挿管チューブに設けられるカフの容積は、小さく、例えば２０ｍｌ程度である。そのため、カフ内の圧力が所定の範囲になるよう制御するために、カフ圧制御装置は、カフに供給する気体の流量を、微小に調整する必要がある。
しかしながら、前記特許文献１のカフ圧制御装置９００において加圧ポンプ９２６にアクチュエータとして従来のモータを使った場合、加圧ポンプ９２６の駆動周波数は１００Ｈｚ以下となる。また、加圧ポンプ９２６の１周期のポンピングによって吐出される気体の流量は大きい。そのため、カフ圧制御装置９００は、カフ９０に供給する気体の流量を、加圧ポンプ９２６で微小に調整することが難しい。
よって、前記特許文献１のカフ圧制御装置９００は、加圧ポンプ９２６とカフ９０の間に流量調整バルブ９２３を備えている。これに更に絞り弁を用いた場合、流量を小さくすることが可能である。しかし、流量が小さいままだと、最初にカフを膨らませるのに時間がかかってしまうため、絞り弁を都度調整する等の必要があり、作業性が低下するという問題が生じてしまう。
そこで、流量調整バルブ９２３をソレノイドバルブのようなアクティブ制御弁にし、高速で駆動させることによってカフ９０に供給する気体の流量を微小に調整することが考えられる。
しかしいずれの場合も、流量調整バルブ９２３を設けなければならない分、カフ圧制御装置９００が大型化する。また、カフ圧制御装置９００では、流量調整バルブ９２３のための材料を用意したり、製造工程を組まなければならず、製造コスト高の一因となる。またアクティブ制御弁を用いた場合、流量調整バルブ９２３を駆動する分、消費電力も大きくなる。また、流量調整バルブ９２３を高速で駆動させることによって流量調整バルブ９２３から駆動音が生じる。
そこで本発明は、装置本体の小型化、製造コストの低減、消費電力の低減、及び静音化を図ったカフ圧制御装置を提供することを目的とする。
本発明のカフ圧制御装置は、前記課題を解決するために以下の構成を備えている。
（１）カフに接続された吐出孔を有し、前記吐出孔から気体を前記カフに吐出するポンプと、
前記カフ内の圧力を検出するカフ圧検出部と、
前記ポンプを、１５ｋＨｚ以上の駆動周波数で駆動する駆動回路と、
前記カフ圧検出部による検出結果に基づいて、前記カフ内の圧力が所定の範囲になるよう前記駆動回路を制御する制御部と、を備える。
この構成のポンプは、可聴域（２０Ｈｚ〜１５，０００Ｈｚ）以上の駆動周波数で駆動する。一方、前述したように、モータを使った従来のポンプは、１００Ｈｚ以下の駆動周波数で駆動する。そのため、例えばこの構成のポンプによって吐出される気体の流量と従来のポンプによって吐出される気体の流量とが同じ場合、この構成のポンプの１周期のポンピングによって吐出される気体の流量は、従来のポンプに比べて小さく、例えば１／２００以下となる。
そのため、制御部が駆動回路を制御することで、この構成のカフ圧制御装置は、カフに供給する気体の流量を、ポンプで微小に調整することができる。すなわち、この構成のカフ圧制御装置は、流量調整バルブを必要としない。
よって、この構成では、流量調整バルブを設けない分、カフ圧制御装置を小型化できる。また、この構成では、流量調整バルブのための材料や製造工程が不要となるため、製造コストを低減できる。また、この構成では、流量調整バルブを駆動しないため、消費電力を低減でき、流量調整バルブの駆動音も生じない。さらに、ポンプが可聴域以上の駆動周波数で駆動するため、ポンプの駆動音も生じない。
したがって、この構成のカフ圧制御装置によれば、装置本体の小型化、製造コストの低減、消費電力の低減、及び静音化を図ることができる。
（２）前記ポンプの１周期のポンピングによって吐出される前記気体の流量は、１ｎｌ以上、１０μｌ以下である。
この構成のポンプの１周期のポンピングによって吐出される気体の流量は、従来のポンプに比べて小さく、例えば１／２００以下である。そのため、制御部が駆動回路を制御することで、この構成のカフ圧制御装置は、カフに供給する気体の流量を、ポンプで微小に調整することができる。
（３）前記駆動周波数は、前記ポンプの共振周波数であることが好ましい。
この構成では、ポンプが共振周波数で駆動するため、効率が高くなる。したがって、この構成のカフ圧制御装置によれば、消費電力を一層低減できる。
（４）前記ポンプは、アクチュエータとしての圧電素子と、前記圧電素子に接合する第１主面を持ち、前記圧電素子の伸縮により屈曲振動する振動板と、を有することが好ましい。
この構成では、アクチュエータとして圧電素子を用いることで、効率が高くなる。したがって、この構成のカフ圧制御装置によれば、消費電力を一層低減できる。
（５）前記制御部は、前記駆動周波数の１／１０以下の周波数である制御周波数で、前記駆動回路を制御することが好ましい。
ポンプは、駆動開始時の数周期は、振動の立ち上がりが十分でなく定常駆動時のカフ圧変化が得られないことがある。その場合、フィードバックの周期をポンプの駆動周期の１０倍以上に設定することにより制御に適した安定的なカフ圧の変化を得ることができる。
（６）前記ポンプの前記吐出孔と前記カフとの間に設けられ、前記カフから前記吐出孔への前記気体の流出を阻止する逆止弁と、
前記カフに接続され、前記カフに充填された前記気体を排気する排気弁と、を備えることが好ましい。
この構成では、カフ内の圧力が所定の範囲にある場合、ポンプの駆動を停止させても、逆止弁によってカフからの気体の流出を阻止できる。そのため、この構成によれば、カフ内の圧力を所定の範囲に維持するためにポンプを駆動させ続けなくとも済むため、消費電力を低減できる。
また、この構成では、カフ内の圧力が所定の範囲を超える場合、排気弁を開くことで、カフ内から気体を排気する。そのため、この構成によれば、カフ内の圧力を所定の範囲に調整することができる。
（７）前記ポンプは、前記振動板に接合し、前記振動板とともにポンプ室を構成する第１筐体と、前記第１筐体を間隔を設けて被覆して前記第１筐体との間に通気路を構成する第２筐体と、を有し、
前記第１筐体には、前記ポンプ室の内部と外部とを連通させる通気孔が設けられており、
前記第２筐体における前記第１通気孔と対向する領域には、前記吐出孔が設けられていることが好ましい。
この構成では、駆動電圧が圧電素子に印加されると、圧電素子の伸縮により振動板が屈曲振動する。そして、この振動板の屈曲振動によりポンプ室の体積が周期的に変化する。これにより、ポンプの外部の気体が第１通気孔からポンプ室へ吸引され、ポンプ室の気体が第１通気孔から吐出される。
この構成では、ポンプ室から第１通気孔を介して吐出される気体によって、ポンプの外部に存在する気体が通気路を介して引き込まれて吐出孔から吐出される。そのため、吐出孔から吐出される気体の流量が、引き込まれる気体の流量分多くなる。
従って、この構成によれば、消費電力あたりの吐出流量が大幅に多くなる。そのため、この構成によれば、低消費電力でありながら大きな吐出流量が得られる。
（８）前記ポンプは、
前記振動板の周囲を囲む枠板と、
前記振動板と前記枠板とを連結し、前記枠板に対して前記振動板を弾性支持する連結部と、
前記第１主面とは逆側の前記振動板の第２主面に対向して前記枠板に接合され、通気孔が設けられている可撓板と、を有することが好ましい。
この構成では、振動板の周縁部が実質的に固定されていない。また、この構成において圧電素子に駆動電圧が印加されると、圧電素子の伸縮により振動板が屈曲振動し、振動板の振動に伴って可撓板も振動する。これにより、通気孔から気体が吸引され、吐出孔から吐出される。
そのため、この構成によれば、振動板の振動に伴う損失が少ないため、低消費電力でありながら高い吐出圧力と大きな吐出流量が得られる。
この発明によれば、装置本体の小型化、製造コストの低減、消費電力の低減、及び静音化を図ることができる。
挿管チューブが口腔から気管内に挿入された様子を示す模式図である。 本発明の第１実施形態に係るカフ圧制御装置１００の主要部の構成を示すブロック図である。 図２に示すカフ圧制御装置１００に備えられる圧電ポンプ１０１の外観斜視図である。 図３に示す圧電ポンプ１０１の分解斜視図である。 図３に示す圧電ポンプ１０１のＳ−Ｓ線の断面図である。 図６は、図３に示す圧電ポンプ１０１をポンプ本体の１次振動モードの周波数（基本波）で共振駆動させた際における、圧電ポンプ１０１のＳ−Ｓ線の断面図である。図６（Ａ）はポンプ室の体積が増大したときの図、図６（Ｂ）はポンプ室の体積が減少したときの図である。 本発明の第２実施形態に係るカフ圧制御装置に備えられる圧電ポンプ２０１の分解斜視図である。 図７に示す圧電ポンプ２０１の要部の断面図である。 特許文献１に係るカフ圧制御装置９００の主要部の構成を示すブロック図である。
《本発明の第１実施形態》
以下、本発明の第１実施形態に係るカフ圧制御装置１００について説明する。
図１は、挿管チューブが口腔から気管内に挿入された様子を示す模式図である。
人工呼吸器の使用時に気管挿管で気道を確保する場合、口腔５から挿入された挿管チューブ１と気管２の内壁６との間に隙間が生じると、気管２内に食道３からの胃液や唾液等の分泌物が流入し、被検体が人工呼吸器関連肺炎（ＶＡＰ）を発症するおそれがある。特に、気管挿管においては喉頭蓋４が開かれた状態となるため食道３からの胃液が気管２に流入し易い。
このような分泌物の流入を防止するため、挿管チューブ１の外周の所定の位置にはカフ１０が設けられる。このカフ１０は、後述の空気供給チューブ１２５を介して体外より加圧されることにより膨張する。カフ１０が膨張することにより、カフ１０の外周面が気管２の内壁６に接触して気管２を閉塞する。
このようにして、挿管チューブ１により気道を確保しつつ、カフ１０により気管２への分泌物の流入を防止することができる。本実施形態においてカフ１０の容積は、２０ｍｌである。
図２は、本発明の第１実施形態に係るカフ圧制御装置１００の主要部の構成を示すブロック図である。カフ圧制御装置１００は、空気供給チューブ１２５を介して前記カフ１０に接続されている。カフ１０内の「カフ圧」は、カフ圧制御装置１００により制御される。
カフ圧制御装置１００は、制御部１１１と、記憶部１１２と、カフ圧検出部１１３と、入力部１１４と、表示部１１５と、発音部１１６と、駆動回路１１９と、を備える。カフ圧制御装置１００は、さらに、圧電ポンプ１０１と、逆止弁１２１と、排気弁１２２と、を備える。
制御部１１１は、カフ圧制御装置１００内の各部を制御する。制御部１１１は、時間を計測するタイマー回路（不図示）を内蔵する。制御部１１１は、時間を計測して経過時間等の時間情報を取得する。
制御部１１１は、カフ圧検出部１１３の検出結果等に基づいて、カフ圧が所定の範囲になるよう、カフ圧検出部１１３、駆動回路１１９、及び排気弁１２２を制御する。本実施形態において所定の範囲は、２０ｃｍＨ２０以上３０ｃｍＨ２０以下の範囲である。
カフ圧検出部１１３は、空気供給チューブ１２５に通じるカフ圧検出チューブ１１８を介してカフ１0に接続される。カフ圧検出部１１３は、カフ１０のカフ圧を検出する。そして、制御部１１１は、そのカフ圧をカフ圧検出部１１３から読み取る。
記憶部１１２は、不揮発性メモリであり、例えばフラッシュメモリ、ＨＤＤ（ＨａｒｄＤｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）で構成される。記憶部１１２は、前記所定の範囲に係る範囲情報を記憶する。また、制御部１１１は、カフ圧検出部１１３より読み取ったカフ圧に関する情報とタイマー回路で取得した時間情報とを互いに関連付けて、カフ圧の経時変化として記憶部１１２に記録する。記憶部１１２は、また、カフ１０等の製品種類に応じた複数の加圧パラメータに関する情報や、複数の動作モードに関する情報等を記憶する。
入力部１１４は、操作ボタンを有し、医師等の作業者からの入力操作を受け付ける。入力部１１４は、受け付けた入力操作に応じた信号を制御部１１１に出力する。
表示部１１５は、例えば液晶ディスプレイで構成される。表示部１１５は、制御部１１１から表示命令を受信すると、表示命令に含まれる表示情報に基づいて、例えばカフ圧に関する情報や時間情報等を画面に表示する。
発音部１１６は、例えばスピーカである。発音部１１６は、制御部１１１により駆動され、例えばカフ１０の異常等を医師等の作業者に報知するアラーム音を出力する。
駆動回路１１９は、圧電ポンプ１０１を、可聴域（２０Ｈｚ〜１５，０００Ｈｚ）を超える駆動周波数で駆動する。ここで、駆動周波数は、例えば１５ｋＨｚ〜４０ｋＨｚであり、圧電ポンプ１０１の共振周波数である。そして、制御部１１１は、駆動周波数の１／１０以下の周波数である制御周波数で、駆動回路１１９を制御する。
ここで、圧電ポンプ１０１は、駆動開始時の数周期は、振動の立ち上がりが十分でなく定常駆動時のカフ圧変化が得られないことがある。そのため、カフ圧検出部１１３において制御に適した安定的なカフ圧の変化を検出するためには、駆動回路１１９を制御する制御周波数は、圧電ポンプ１０１の駆動周波数の１／１０以下の制御周波数であることが望ましい。
圧電ポンプ１０１は、詳細を後述するが、空気供給チューブ１２５を介してカフ１０に接続された吐出孔２４を有する。駆動回路１１９により駆動されて空気供給チューブ１２５を介して吐出孔２４から空気をカフ１０に吐出する。圧電ポンプ１０１は、制御部１１１の制御のもとで、カフ１０への加圧の大きさや速度などが設定される。
逆止弁１２１は、圧電ポンプ１０１とカフ１０との間に接続され、カフ１０から圧電ポンプ１０１への空気の逆流を阻止する。制御部１１１は、カフ圧が所定の範囲にある場合、圧電ポンプ１０１の駆動を停止させても、逆止弁１２１によってカフ１０からの気体の流出を阻止できる。そのため、この構成によれば、カフ圧を所定の範囲に維持するために圧電ポンプ１０１を駆動させ続けなくとも済むため、消費電力を低減できる。
排気弁１２２は、カフ１０に接続される。排気弁１２２は、制御部１１１により制御されて開放及び閉塞する。排気弁１２２は、開放状態において、空気供給チューブ１２５を介してカフ１０内を大気に開放してカフ１０内の空気を排気する。排気弁１２２は、閉塞状態において、カフ１０内の大気への開放を停止してカフ１０の排気を停止する。制御部１１１は、カフ圧が所定の範囲を超える場合、排気弁１２２を開くことで、カフ１０内から気体を排気する。これにより、制御部１１１は、カフ圧を所定の範囲に調整することができる。
次に、圧電ポンプ１０１の構造について図３〜図５を用いて詳述する。
図３は、図２に示すカフ圧制御装置１００に備えられる圧電ポンプ１０１の外観斜視図である。図４は、図３に示す圧電ポンプ１０１の分解斜視図である。図５は、図３に示す圧電ポンプ１０１のＳ−Ｓ線の断面図である。
圧電ポンプ１０１は、上から順に、外筐体１７、天板３７、側板３８、振動板３９、圧電素子４０、及びキャップ４２を備え、それらが順に積層された構造を有している。天板３７、側板３８、及び振動板３９は、ポンプ室３６を構成している。圧電ポンプ１０１は、幅２０ｍｍ×長さ２０ｍｍ×ノズル１８以外の領域の高さ１．８５ｍｍの寸法となっている。
なお、天板３７と側板３８とが本発明の「第１筐体」を構成している。外筐体１７が本発明の「第２筐体」に相当する。また、天板３７、側板３８、振動板３９、及び圧電素子４０によって、ポンプ本体が構成されている。
外筐体１７は、例えば空気が吐出される吐出孔２４が中心に設けられたノズル１８を有する。このノズル１８は、外形の直径２．０ｍｍ×内形（即ち吐出孔２４）の直径０．８ｍｍ×高さ１．６ｍｍの寸法となっている。外筐体１７の四角には、ネジ穴５６Ａ〜５６Ｄが設けられている。
外筐体１７は、下方が開口した断面コ字状である。外筐体１７は、ポンプ室３６の天板３７、ポンプ室３６の側板３８、振動板３９及び圧電素子４０を収納する。外筐体１７は、例えば樹脂からなる。
ポンプ室３６の天板３７は、円板状であり、例えば金属からなる。天板３７には、中央部６１と、中央部６１から水平方向に突出し、外筐体１７の内壁に当接する鍵状の突出部６２と、外部回路に接続するための外部端子６３とが設けられている。
また、天板３７の中央部６１には、ポンプ室３６の内部と外部とを連通させる通気孔４５が設けられている。この通気孔４５は、外筐体１７の吐出孔２４と対向する位置に設けられている。天板３７は、側板３８の上面に設けられている。
ポンプ室３６の側板３８は、円環状であり、例えば金属からなる。側板３８は、振動板３９の上面３９Ａに設けられている。そのため、側板３８の厚みは、ポンプ室３６の高さとなる。
振動板３９は、円板状であり、例えば金属からなる。振動板３９は、側板３８と天板３７と共にポンプ室３６を構成する。
圧電素子４０は、円板状であり、例えばチタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスからなる。圧電素子４０は、印加された交流駆動電圧に応じて伸縮する。圧電素子４０は、振動板３９におけるポンプ室３６とは逆側の下面３９Ｂに設けられている。
そして、天板３７、側板３８、振動板３９、及び圧電素子４０の接合体は、天板３７に設けられている４個の突出部６２によって外筐体１７に対して弾性的に支持されている。
電極導通用板７０は、圧電素子４０に接続される内部端子７３と、外部回路に接続される外部端子７２とで構成されている。内部端子７３の先端は圧電素子４０の平板面にはんだで接合されている。はんだで接合される位置を圧電素子４０の屈曲振動の節に相当する位置とすることにより、圧電素子４０の屈曲振動を阻害することなく、内部端子７３を圧電素子４０に接合することができる。これにより、内部端子７３の振動がより抑制できる。
キャップ４２には、円板形状の吸引口５３が設けられている。吸引口５３の直径は、圧電素子４０の直径より大きい。また、キャップ４２には、外筐体１７のネジ穴５６Ａ〜５６Ｄに対応する位置に切欠き５５Ａ〜５５Ｄが設けられている。
また、キャップ４２は、外周縁に、天板３７側へ突出する突出部５２を有する。キャップ４２は、突出部５２で外筐体１７を挟持し、ポンプ室３６の天板３７、側板３８、振動板３９及び圧電素子４０を、外筐体１７内に収納する。キャップ４２は、例えば樹脂からなる。
そして、図５に示すように、天板３７、側板３８、振動板３９及び圧電素子４０の接合体と外筐体１７及びキャップ４２との間には通気路３１が設けられている。
以下、圧電ポンプ１０１の動作時における空気の流れについて説明する。
図６（Ａ）（Ｂ）は、図３に示す圧電ポンプ１０１を、ポンプ本体の１次振動モードの周波数（基本波）で共振駆動をさせた際における、圧電ポンプ１０１のＳ−Ｓ線の断面図である。ここで、図中の矢印は、空気の流れを示している。
図５に示す状態において、ポンプ本体の１次振動モードの周波数（基本波）に対応する交流駆動電圧が駆動回路１１９から外部端子６３，７２を介して圧電素子４０に印加されると、振動板３９は同心円状に屈曲振動する。同時に、天板３７は、振動板３９の屈曲振動に伴うポンプ室３６の圧力変動により、振動板３９の屈曲振動に伴って（この実施形態では振動位相が１８０°遅れて）同心円状に屈曲振動する。これにより、図６（Ａ）（Ｂ）に示すように、振動板３９及び天板３７が屈曲変形してポンプ室３６の体積が周期的に変化する。
図６（Ａ）に示すように、交流駆動電圧が圧電素子４０に印加されて振動板３９が圧電素子４０側へ屈曲すると、ポンプ室３６の体積が増大する。これに伴い、圧電ポンプ１０１の外部の空気が吸引口５３、通気路３１、及び通気孔４５を介してポンプ室３６内に吸引される。ポンプ室３６からの空気の流出は無いものの、吐出孔２４から圧電ポンプ１０１の外部への空気の流れの慣性力が働いている。
図６（Ｂ）に示すように、交流駆動電圧が圧電素子４０に印加されて振動板３９がポンプ室３６側へ屈曲すると、ポンプ室３６の体積が減少する。これに伴い、ポンプ室３６内の空気が通気孔４５、通気路３１を介して吐出孔２４から吐出される。
このとき、ポンプ室３６から吐出される空気によって、圧電ポンプ１０１の外部の空気が吸引口５３及び通気路３１を介して引き込まれて吐出孔２４から吐出される。そのため、吐出孔２４から吐出される空気の流量が、外部から引き込まれる空気の流量分多くなる。
以上により、この実施形態の圧電ポンプ１０１によれば、消費電力あたりの吐出流量が大幅に多くなる。そのため、圧電ポンプ１０１では、低消費電力でありながら大きな吐出流量が得られる。
ここで、圧電ポンプ１０１の１周期のポンピングによって吐出される気体の流量は、モータを使った従来のポンプの１周期のポンピングによって吐出される気体の流量に比べて小さく、１／２００以下である。圧電ポンプ１０１の１周期のポンピングによって吐出される気体の流量は、１ｎｌ以上、１０μｌ以下である。カフ圧が所定の範囲になっているときにおける、圧電ポンプ１０１の１周期のポンピングによって吐出される気体の流量は、約０．２μｌである。また、圧電ポンプ１０１は、可聴域（２０Ｈｚ〜２０，０００Ｈｚ）以上の駆動周波数で駆動する。一方、前述したように、モータを使った従来のポンプは、１００Ｈｚ以下の駆動周波数で駆動する。
そのため、制御部１１１が駆動回路１１９をミリ秒（ｍｓ）オーダーで制御することで、制御部１１１は、カフ１０に供給する気体の流量を、圧電ポンプ１０１で微小に調整することができる。すなわち、この構成のカフ圧制御装置１００は、流量調整バルブを必要としない。
例えば、カフ１０の体積を２０ｍｌ、設定カフ圧を２５ｃｍＨ２Ｏ、圧電ポンプ１０１の駆動周波数を２０ｋＨｚ、圧電ポンプ１０１の吐出流量を２００ｍｌ／ｍｉｎとし、カフ１０のカフ圧を０．１ｃｍＨ２Ｏ増加させる場合、圧電ポンプ１０１の駆動時間は２４ｍｓ必要になる。そのため、圧電ポンプ１０１の応答性にはｍｓオーダーが要求されるが、圧電ポンプ１０１の応答性は１ｍｓ以下であるため、制御部１１１は、カフ圧を十分に制御することが可能である。すなわち、制御部１１１は、０．１ｃｍＨ２Ｏの精度でカフ圧を、圧電ポンプ１０１で調整することができる。
よって、カフ圧制御装置１００では、流量調整バルブを設けない分、カフ圧制御装置１００を小型化できる。また、カフ圧制御装置１００では、流量調整バルブのための材料や製造工程が不要となるため、製造コストを低減できる。また、カフ圧制御装置１００では、流量調整バルブを駆動しないため、消費電力を低減でき、流量調整バルブの駆動音も生じない。さらに、圧電ポンプ１０１が可聴域以上の駆動周波数で駆動するため、圧電ポンプ１０１の駆動音も生じない。
したがって、カフ圧制御装置１００によれば、装置本体の小型化、製造コストの低減、消費電力の低減、及び静音化を図ることができる。
《本発明の第２実施形態》
以下、本発明の第２実施形態に係るカフ圧制御装置１００について説明する。
第２実施形態のカフ圧制御装置が第１実施形態のカフ圧制御装置１００と相違する点は、圧電ポンプ１０１の代わりに圧電ポンプ２０１を備える点である。その他の構成については同じであるため、説明を省略する。
圧電ポンプ２０１の構造について図７、図８を用いて詳述する。
図７は、本発明の第２実施形態に係る圧電ポンプ２０１の分解斜視図である。図８は、図７に示す圧電ポンプ２０１の要部の断面図である。
基板２９１、可撓板２５１、スペーサ２５３Ａ、補強板２４３、振動板ユニット２６０、圧電素子２４２、スペーサ２５３Ｂ、電極導通用板２７０、スペーサ２５３Ｃ及び蓋板２５４は、この順に積層され、ポンプ筐体２８０を構成している。そして、ポンプ筐体２８０の内部空間がポンプ室２４５に相当する。
円板状の振動板２４１の上面には圧電素子２４２が設けられている。振動板２４１の下面には補強板２４３が設けられている。振動板２４１と圧電素子２４２と補強板２４３とによって円板状の圧電アクチュエータ２４０が構成される。圧電素子２４２は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスからなる。
ここで、振動板２４１を圧電素子２４２および補強板２４３よりも線膨張係数の大きな金属板で形成し、接着時に加熱硬化させてもよい。これにより、圧電アクチュエータ２４０全体が反ることなく、圧電素子２４２に適切な圧縮応力を残留させることができ、圧電素子２４２が割れることを防止できる。
例えば、振動板２４１をリン青銅（Ｃ５２１０）やステンレススチールＳＵＳ３０１など線膨張係数の大きな材料とし、補強板２４３を４２ニッケルまたは３６ニッケルまたはステンレススチールＳＵＳ４３０などとするのがよい。
なお、振動板２４１、圧電素子２４２、補強板２４３については、上から圧電素子２４２、補強板２４３、振動板２４１の順に配置してもよい。この場合も圧電素子２４２に適切な圧縮応力が残留するように、補強板２４３、振動板２４１を構成する材料を設定にすることで線膨張係数が調整されている。
振動板２４１の周囲には枠板２６１が設けられている。振動板２４１は枠板２６１に対して連結部２６２で連結されている。連結部２６２は例えば細いリング状に形成されている。連結部２６２は、小さなバネ定数の弾性を持つ弾性構造を有している。スペーサ２５３Ａは可撓板２５１と一定の隙間をあけて圧電アクチュエータ２４０を保持するために設けられる。枠板２６１には電気的に接続するための外部端子２６３が設けられている。
したがって振動板２４１は二つの連結部２６２で枠板２６１に対して２点で柔軟に弾性支持されている。そのため、振動板２４１の屈曲振動を殆ど妨げない。
なお、図７に示した例では、連結部２６２が二箇所に設けられているが、三箇所以上に設けられていてもよい。連結部２６２は、圧電アクチュエータ２４０の振動を妨げるものではないが、圧電アクチュエータ２４０の振動に多少の影響を与える。そのため、例えば連結部２６２が三箇所に設けられることにより、より自然な支持が可能となり、圧電素子２４２の割れを防止することもできる。
振動板ユニット２６０は、振動板２４１、枠板２６１、連結部２６２及び外部端子２６３によって構成される。振動板ユニット２６０は、金属板に対して打ち抜き加工を施すことにより形成されている。
枠板２６１の上面には、スペーサ２５３Ｂが設けられている。スペーサ２５３Ｂは樹脂からなる。スペーサ２５３Ｂの厚みは圧電素子２４２の厚みと同じか少し厚い。枠板２６１は、電極導通用板２７０と振動板ユニット２６０とを電気的に絶縁する。
スペーサ２５３Ｂの上面には、電極導通用板２７０が設けられている。電極導通用板２７０は金属からなる。電極導通用板２７０は、ほぼ円形に開口した枠部位２７１と、この開口内に突出する内部端子２７３と、外部へ突出する外部端子２７２とからなる。
内部端子２７３の先端は圧電素子２４２の表面にはんだで接合される。はんだで接合される位置を圧電アクチュエータ２４０の屈曲振動の節に相当する位置とすることにより、圧電素子２４２の屈曲振動を阻害することなく、内部端子２７３を圧電素子２４２に接合することができる。これにより、内部端子２７３の振動は抑制される。
電極導通用板２７０の上面には、スペーサ２５３Ｃが設けられている。スペーサ２５３Ｃは樹脂からなる。スペーサ２５３Ｃは圧電素子２４２と同程度の厚さを有する。スペーサ２５３Ｃは、圧電アクチュエータ２４０が振動している時に、内部端子２７３のはんだ部分が、蓋板２５４に接触しないようにするためのスペーサである。また、圧電素子２４２表面が蓋板２５４に過度に接近して、空気抵抗により振動振幅が低下することを防止する。そのため、スペーサ２５３Ｃの厚みは、圧電素子２４２と同程度の厚みであればよい。
スペーサ２５３Ｃの上面には、蓋板２５４が設けられている。蓋板２５４には吐出孔２５５が設けられている。蓋板２５４は、圧電アクチュエータ２４０の上部を覆う。なお、吐出孔２５５は、必ずしも、蓋板２５４の中心に設ける必要はない。
一方、振動板ユニット２６０の下面には、スペーサ２５３Ａが設けられている。即ち、可撓板２５１の上面と振動板ユニット２６０の下面との間に、スペーサ２５３Ａが挿入されている。スペーサ２５３Ａは、補強板２４３の厚みに数１０μｍ程度加えた厚みを有する。スペーサ２５３Ａは、圧電アクチュエータ２４０が振動している時に、圧電アクチュエータ２４０が、可撓板２５１に接触しないようにするためのスペーサである。
スペーサ２５３Ａの下面には、可撓板２５１が設けられている。可撓板２５１の中心には吸引孔２５２が設けられている。
可撓板２５１の下面には、基板２９１が設けられている。基板２９１の中央部には円柱形の開口部２９２が形成されている。可撓板２５１は、基板２９１に固定された固定部２５７と、固定部２５７より内側に位置し、開口部２９２に面する可動部２５６と、を有する。
可動部２５６は、圧電アクチュエータ２４０の振動に伴う空気の圧力変動により、圧電アクチュエータ２４０と実質的に同一周波数で振動することができる。可動部２５６の固有振動数は、圧電アクチュエータ２４０の駆動周波数と同一か、やや低い周波数になるように設計している。
可撓板２５１の振動位相が圧電アクチュエータ２４０の振動位相よりも遅れた（例えば９０°遅れの）振動に設計すれば、可撓板２５１と圧電アクチュエータ２４０との間の隙間の厚さ変動が実質的に増加する。
そして、図２に示す駆動回路１１９は、圧電ポンプ２０１を、可聴域（２０Ｈｚ〜１５，０００Ｈｚ）以上の周波数である駆動周波数で駆動する。ここで、駆動周波数は、圧電ポンプ２０１の共振周波数である。
よって、圧電ポンプ２０１の１次振動モードの周波数（基本波）に対応する交流駆動電圧が駆動回路１１９から外部端子２６３、２７２に印加されると、圧電アクチュエータ２４０が同心円状に屈曲振動する。さらに、圧電アクチュエータ２４０の振動に伴って可撓板２５１の可動部２５６も振動する。これにより、圧電ポンプ２０１は、開口部２９２及び吸引孔２５２を介して空気をポンプ室２４５へ吸引する。さらに、圧電ポンプ２０１は、ポンプ室２４５の空気を吐出孔２５５から吐出する。
このとき、圧電ポンプ２０１では、圧電アクチュエータ２４０の周縁部が実質的に固定されていない。そのため、圧電ポンプ２０１によれば、圧電アクチュエータ２４０の振動に伴う損失が少なく、低消費電力でありながら高い吐出圧力と大きな吐出流量が得られる。
ここで、圧電ポンプ２０１の１周期のポンピングによって吐出される気体の流量は、モータを使った従来のポンプの１周期のポンピングによって吐出される気体の流量に比べて小さく、１／２００以下である。圧電ポンプ２０１の１周期のポンピングによって吐出される気体の流量は、１ｎｌ以上、１０μｌ以下である。カフ圧が所定の範囲になっているときにおける、圧電ポンプ２０１の１周期のポンピングによって吐出される気体の流量は、約０．２μｌである。
そのため、制御部１１１が駆動回路１１９をミリ秒オーダーで制御することで、制御部１１１は、カフ１０に供給する気体の流量を、圧電ポンプ２０１で微小に調整することができる。
したがって、第２実施形態のカフ圧制御装置においても、第１実施形態のカフ圧制御装置１００と同様の効果を奏する。
《その他の実施形態》
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。当該気体が、空気以外の他の気体であっても適用できる。
また、前記実施形態では、圧電素子はチタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスからなるが、これに限るものではない。例えば、ニオブ酸カリウムナトリウム系及びアルカリニオブ酸系セラミックス等の非鉛系圧電体セラミックスの圧電材料などからなってもよい。
また、前記実施形態ではユニモルフ型の圧電振動子を使用しているが、これに限るものではない。振動板３９の両面に圧電素子４０を設けたバイモルフ型の圧電振動子を使用してもよい。
また、前記実施形態では、円板状の圧電素子、円板状の振動板、及び円板状の天板を用いたが、これに限るものではない。例えば、これらの形状が矩形板状や多角板状、楕円板状であってもよい。
また、前記実施形態では、圧電ポンプを、ポンプ本体の１次振動モードの周波数（基本波）で共振駆動させたが、これに限るものではない。実施の際は、複数の振動の腹を有する、３次振動モード以上の奇数次の振動モードの周波数で共振駆動させても良い。
また、前記第２実施形態では、可撓板２５１が、圧電アクチュエータ２４０の屈曲振動に伴って屈曲振動する例を示したが、これに限るものではない。実施の際は、圧電アクチュエータ２４０のみが屈曲振動してもよく、必ずしも可撓板２５１が、圧電アクチュエータ２４０の屈曲振動に伴って屈曲振動しなくても良い。
また、前記実施形態では、逆止弁１２１を設けているが、これに限るものではない。圧電ポンプが逆止弁１２１と同じ逆止機能を有している場合、逆止弁１２１を省略してもよい。
最後に、前記実施形態の説明は、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、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
１…挿管チューブ
２…気管
３…食道
４…喉頭蓋
５…口腔
６…内壁
１０…カフ
１７…外筐体
１８…ノズル
２４…吐出孔
３１…通気路
３６…ポンプ室
３７…天板
３８…側板
３９…振動板
４０…圧電素子
４２…キャップ
４５…通気孔
５２…突出部
５３…吸引口
５５Ａ…切欠き
５６Ａ…ネジ穴
６１…中央部
６２…突出部
６３…外部端子
６３，７２…外部端子
７０…電極導通用板
７２…外部端子
７３…内部端子
９０…カフ
１００…カフ圧制御装置
１０１…圧電ポンプ
１１１…制御部
１１２…記憶部
１１３…カフ圧検出部
１１４…入力部
１１５…表示部
１１６…発音部
１１８…カフ圧検出チューブ
１１９…駆動回路
１２１…逆止弁
１２２…排気弁
１２５…空気供給チューブ
２０１…圧電ポンプ
２４０…圧電アクチュエータ
２４１…振動板
２４２…圧電素子
２４３…補強板
２４５…ポンプ室
２５１…可撓板
２５２…吸引孔
２５３Ａ、２５３Ｂ、２５３Ｃ…スペーサ
２５４…蓋板
２５５…吐出孔
２５６…可動部
２５７…固定部
２６０…振動板ユニット
２６１…枠板
２６２…連結部
２６３…外部端子
２７０…電極導通用板
２７１…枠部位
２７２…外部端子
２７３…内部端子
２８０…ポンプ筐体
２９１…基板
２９２…開口部
９００…カフ圧制御装置
９１０…制御系
９１１…制御部
９１３…カフ圧検出部
９１６…報知部
９１８…カフ圧検出チューブ
９２０…カフ圧調整部
９２１…一方弁
９２２…排気弁
９２３…流量調整バルブ
９２４…リザーバタンク
９２５…気体供給チューブ
９２６…加圧ポンプ
９２７…安全弁

Claims (8)

  1. カフに接続された吐出孔を有し、前記吐出孔から気体を前記カフに吐出するポンプと、
    前記カフ内の圧力を検出するカフ圧検出部と、
    前記ポンプを、１５ｋＨｚ以上の駆動周波数で駆動する駆動回路と、
    前記カフ圧検出部による検出結果に基づいて、前記カフ内の圧力が所定の範囲になるよう前記駆動回路を制御する制御部と、を備える、カフ圧制御装置。
  2. 前記ポンプの１周期のポンピングによって吐出される前記気体の流量は、１ｎｌ以上、１０μｌ以下である、請求項１に記載のカフ圧制御装置。
  3. 前記駆動周波数は、前記ポンプの共振周波数である、請求項１または２に記載のカフ圧制御装置。
  4. 前記ポンプは、アクチュエータとしての圧電素子と、前記圧電素子に接合する第１主面を持ち、前記圧電素子の伸縮により屈曲振動する振動板と、を有する、請求項１から３のいずれか１項に記載のカフ圧制御装置。
  5. 前記制御部は、前記駆動周波数の１／１０以下の周波数である制御周波数で、前記駆動回路を制御する、請求項１から４のいずれか１項に記載のカフ圧制御装置。
  6. 前記ポンプの前記吐出孔と前記カフとの間に設けられ、前記カフから前記吐出孔とへの前記気体の流出を阻止する逆止弁と、
    前記カフに接続され、前記カフに充填された前記気体を排気する排気弁と、を備える、請求項１から５のいずれか１項に記載のカフ圧制御装置。
  7. 前記ポンプは、前記振動板に接合し、前記振動板とともにポンプ室を構成する第１筐体と、前記第１筐体を間隔を設けて被覆して前記第１筐体との間に通気路を構成する第２筐体と、を有し、
    前記第１筐体には、前記ポンプ室の内部と外部とを連通させる通気孔が設けられており、
    前記第２筐体における前記第１通気孔と対向する領域には、前記吐出孔が設けられている、請求項４から６のいずれか１項に記載のカフ圧制御装置。
  8. 前記ポンプは、
    前記振動板の周囲を囲む枠板と、
    前記振動板と前記枠板とを連結し、前記枠板に対して前記振動板を弾性支持する連結部と、
    前記第１主面とは逆側の前記振動板の第２主面に対向して前記枠板に接合され、通気孔が設けられている可撓板と、を有する、請求項４から６のいずれか１項に記載のカフ圧制御装置。
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