JP6624735B2 - 呼吸連動形電動ファン付き呼吸装置 - Google Patents

Description

本発明は、呼吸連動形電動ファン付き呼吸装置に関するものである。

顔面の一部又は全部を覆う面体と、面体に取り付けられた、吸気弁と排気弁と、吸気弁を介して前記面体内に外気を供給する電動ファンと、電動ファンに吸引される外気を濾過するフィルターと、面体内圧の変動に応じて変形する膜部材と膜部材の変形を検知するセンサーとを有する呼吸モニター装置と、呼吸モニター装置の検知信号に基づき呼吸に合わせて電動ファンの作動を制御する制御装置とを備え、制御装置は、吸気時に電動ファンに通電し電動ファンを回転駆動して面体内圧を所定の目標正圧値に維持し、呼気時に電動ファンへの通電を停止して電動ファンを停止させることを特徴とする呼吸連動形電動ファン付き呼吸装置が、特許文献１、２等に開示されている。
特許文献１、２等の呼吸装置には、呼気時に電動ファンが停止するので電動ファンの消費電力が節減され、他方吸気時に電動ファンが作動して面体内圧を正圧に維持するので、吸気が楽になり且つ外部環境汚染空気の面体内への侵入が防止されるという利点がある。

特開２００９−１３６５２１ 特開２０１３−２２０２８０

図１に、特許文献２に開示された従来の呼吸連動形電動ファン付き呼吸装置を呼吸模擬装置に装着して電動ファンを呼吸に連動して作動させつつ測定した、面体内圧と電動ファン消費電流の経時変化のグラフを示す。
図１から分かるように、特許文献２に開示された従来の呼吸連動形電動ファン付き呼吸装置においては、呼吸モニター装置が検知した面体内圧が所定値より高い状態では、制御装置は呼吸が呼気状態にあると判断して電動ファンへの通電を停止する。面体内圧がピーク値から所定値まで低下した時点で、制御装置は吸気が開始されたと判断し、面体内圧を所定の目標正圧値に維持すべく、電動ファンへの通電を開始する。制御装置は、呼吸モニター装置が検知した面体内圧値に基づいて所定時間サイクルで電動ファンへの通電をフィードバック制御し、吸気時に面体内圧を所定の目標正圧値に維持する。
吸気時の電動ファンへの通電開始時に、停止していた電動ファンを、最大静止摩擦抵抗に打ち勝って、所定の目標回転数近傍まで一気に増速するため、図１から分かるように、電動ファンに大電流が流れる。電動ファンのモータ巻線に大電流が繰り返し流れることは、電動ファンモータの経時劣化の原因となる。
停止していた電動ファンを始動させる際に、最大静止摩擦抵抗の影響で、入力電流に対して電動ファンの応答が遅れる。吸気が開始されているにも関わらず電動ファン回転数の上昇が遅れることにより、図１に示すように、吸気時の電動ファンへの通電開始直後に面体内圧が所定の目標正圧値を大きく下回る事態が発生する。消費電力節減の観点から、前記目標正圧値は適正範囲内で可能な限り低く設定するのが望ましい。しかし、吸気時の電動ファンへの通電開始直後に面体内圧が所定の目標正圧値を大きく下回る事態が発生することを勘案すると、負圧発生防止のために目標正圧値を高めに設定せざるを得ず、消費電力節減の実効を図るのが難しい。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、顔面の一部又は全部を覆う面体と、面体に取り付けられた、吸気弁と排気弁と、吸気弁を介して前記面体内に外気を供給する電動ファンと、電動ファンに吸引される外気を濾過するフィルターと、面体内圧の変動に応じて変形する膜部材と膜部材の変形を検知するセンサーとを有する呼吸モニター装置と、呼吸モニター装置の検知信号に基づき呼吸に合わせて電動ファンの作動を制御する制御装置とを備え、制御装置は、吸気時に電動ファンに通電し電動ファンを回転駆動して面体内圧を所定の目標正圧値に維持し、呼気時に電動ファンへの通電を停止して電動ファンを停止させることを特徴とする呼吸連動形電動ファン付き呼吸装置であって、吸気時の面体内圧を所定の目標正圧値に維持するための電動ファンへの通電の開始時に電動ファンに大電流が流れず、また吸気時の面体内圧を所定の目標正圧値に維持するための電動ファンへの通電開始直後に面体内圧が所定の目標正圧値を大きく下回る事態が発生しない呼吸装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明においては、顔面の一部又は全部を覆う面体と、面体に取り付けられた、吸気弁と排気弁と、吸気弁を介して前記面体内に外気を供給する電動ファンと、電動ファンに吸引される外気を濾過するフィルターと、面体内圧の変動に応じて変形する膜部材と膜部材の変形を検知するセンサーとを有する呼吸モニター装置と、呼吸モニター装置の検知信号に基づき呼吸に合わせて電動ファンの作動を制御する制御装置とを備え、制御装置は、吸気時に電動ファンに通電し電動ファンを回転駆動して面体内圧を所定の目標正圧値に維持し、呼気時に電動ファンへの通電を停止して電動ファンを停止させると共に、呼気の途中から吸気に至るまでの間、電動ファンに微小電流を通電して電動ファンを微小回転数で回転させることを特徴とする呼吸連動形電動ファン付き呼吸装置を提供する。
停止していた電動ファンを最大静止摩擦抵抗に打ち勝って所定の目標回転数近傍まで一気に増速する場合と異なり、既に微小回転数で回転している電動ファンを所定の目標回転数近傍まで一気に増速する場合には、動摩擦抵抗下で増速すれば良いので、電動ファンには大電流は流れない。従って、吸気時の面体内圧を所定の目標正圧値に維持するための通電開始時に電動ファンに大電流は流れない。呼気の途中で電動ファンを起動する際には、回転数を微小回転数までしか上げないので、電動ファンには大電流は流れない。また、停止していた電動ファンを最大静止摩擦抵抗に打ち勝って始動させる場合と異なり、既に微小回転数で回転している電動ファンを増速させる際には、動摩擦抵抗下で増速すれば良いので、入力電流に対する電動ファンの応答遅れは少ない。従って、吸気時の面体内圧を所定の目標正圧値に維持するための通電開始直後に面体内圧が所定の目標正圧値を大きく下回る事態は発生しない。

従来の呼吸連動形電動ファン付き呼吸装置の呼吸に連動した面体内圧と電動ファン消費電流の経時変化を示すグラフである。 本発明の実施例に係る呼吸連動形電動ファン付き呼吸装置の構造図である。（ａ）は側断面図であり、（ｂ）は正面図である。 本発明の実施例に係る呼吸連動形電動ファン付き呼吸装置の呼吸に連動した面体内圧と電動ファン消費電流の経時変化を示すグラフである。

本発明の実施例に係る呼吸連動形電動ファン付き呼吸装置を説明する。
図２に示すように、呼吸連動形電動ファン付き呼吸装置Ａは、使用者の顔面の鼻部と口部とを覆う半面形の椀状の面体１と、面体１に取り付けられた、リード弁形式の吸気弁２と排気弁３と、吸気流に関して吸気弁２の上流側に配設され吸気弁２を介して面体１内に外気を供給する電動ファン４と、吸気流に関して電動ファン４の上流側に配設され電動ファン４に吸引される外気を濾過するフィルター５と、伝声器６とを備えている。
伝声器６は、小径部と中径部と大径部とを有し小径部が面体１に形成された開口に面体内側から嵌合する筒体６ａと、筒体６ａ小径部の面体外側へ突出した端部に面体外側から螺合し、筒体６ａの小径部と中径部との間の環状段部６ｂと協働して前記開口周囲の面体１を挟持することにより筒体６ａを面体１に固定する碗状のカバー６ｃと、筒体６ａの中径部と大径部との間の環状段部６ｄに面体内側から外周縁部が当接する円形の振動膜６ｅと、筒体６ａの大径部に螺合し環状段部６ｄと協働して振動膜６ｅの外周縁部を挟持することにより振動膜６ｅを筒体６ａに固定する円環状の枠体６ｆとを有している。カバー６ｃには複数の開口６ｃ’が形成されており、枠体６ｆは、円環の中心を通って円環上の正対する２点を連結する腕部６ｆ’を有している。
吸気弁２、電動ファン４、フィルター５、伝声器６は、面体１の正面に取り付けられ、排気弁３は面体１の側面に取り付けられている。

呼吸装置Ａは呼吸モニター装置７を備えている。呼吸モニター装置７は、伝声器６が備える振動膜６ｅの中心部に取り付けられた磁石７ａと、伝声器６の腕部６ｆ’の長手方向中央部に取り付けられ、所定隙間を隔てて磁石７ａに正対するホール素子７ｂとを有している。
ホール素子７ｂと電動ファン４とは、電動ファン４の近傍に配設された制御装置８に接続され、制御装置８は電動ファン４の近傍に配設されたバッテリー収納部９に収納された図示しないバッテリーに接続される。
呼吸装置Ａの上記構成は、特許文献２に開示された呼吸連動形電動ファン付き呼吸装置の構成と同一である。しかし、後述するように、電動ファンの作動制御の一部が、特許文献２に開示された呼吸連動形電動ファン付き呼吸装置とは異なる。

呼吸装置Ａの作動を説明する。
呼吸装置Ａの不使用時には、面体１の内圧（ゲージ圧）は零であり、振動膜６ｅに印加される内外圧はバランスしている。以下の説明において面体１の内圧は全てゲージ圧である。この時、振動膜６ｅは略平板状に延在する初期状態に在り磁石７ａとホール素子７ｂとの間の距離は初期値となっており、ホール素子７ｂが検知する磁石７ａの磁束密度も初期値となっている。
面体１の内圧が正圧であれば、振動膜６ｅは面体１の外側へ膨出変形し、面体１の内圧が負圧であれば、振動膜６ｅは面体１の内側へ収縮変形する。

呼吸装置Ａを使用する際には、図示しないバッテリーをバッテリー収納部９に収納し、制御装置８を作動させる。使用者の顔面の鼻と口とを含む一部を覆うように面体１を使用者の頭部に装着する。面体１の環状縁部が顔面に密着して、前記環状縁部と顔面との当接部からの面体１内への外気の侵入を阻止する。
使用者の呼吸に応じて、面体１の内圧が増減し、振動膜６ｅに印加される内外圧に差圧が生じ、振動膜６ｅが初期状態から変形し、磁石７ａとホール素子７ｂとの間の距離が初期値から変化する。当該変化に伴う磁束密度の初期値からの変化をホール素子７ｂが検知して、検知信号を制御装置８へ送信する。制御装置８は、ホール素子７ｂから受信した磁束密度の初期値からの変化量が所定値を超えると呼吸装置Ａが使用者の頭部に装着されたと認識し、電動ファン４の制御を開始する。
制御装置８は、ホール素子７ｂの検知信号に基づいて、面体１の内圧が所定の目標正圧値になるように、ひいては振動膜６ｅが初期状態よりも面体１の外側へ所定量変形するように、電動ファン４の回転数を制御する。

排気時には面体１の内圧が高くなり、振動膜６ｅの面体１外側への変形量が増加し、磁石７ａとホール素子７ｂとの距離が増加し、ホール素子７ｂが検知する磁石７ａの磁束密度が減少する。前記距離の初期値からの増加量が所定値を超え、ホール素子７ｂが検知する磁石７ａの磁束密度の初期値からの減少量が所定値を超えると、即ち面体１の内圧が所定値を超えると、制御装置は呼吸が呼気状態に在ると認識し、電動ファン４への通電を停止して電動ファンを停止させる。この結果、消費電力が節約されてバッテリーの消耗が抑制されると共にフィルター５の目詰まりが抑制される。呼気時には吸気弁２が閉じ、排気弁３が開く。呼気は排気弁３を通って面体１から外部環境へ排出される。
尚、呼吸装置Ａの使用者が声を出すと、伝声器６の振動膜６ｅが振動するが、当該振動による振動膜６ｅの面体内外方向への変形量は、使用者の呼吸に伴う振動膜６ｅの面体内外方向への変形量に比べて微小なので、呼吸に連動した電動ファン４の作動を妨げない。

吸気時には面体１の内圧が低くなり、振動膜６ｅの面体１外側への変形量が減少し、磁石７ａとホール素子７ｂとの距離が減少し、ホール素子７ｂが検知する磁石７ａの磁束密度が増加する。前記距離の初期値からの増加量が所定値以下となり、ホール素子７ｂが検知する磁石７ａの磁束密度の初期値からの減少量が所定値以下になると、即ち面体１の内圧が所定値以下になると、制御装置は呼吸が吸気状態に在ると認識し、電動ファン４へ通電して電動ファンを回転駆し、面体内圧を所定の目標正圧値に維持する。吸気時には吸気弁２が開き、排気弁３が閉じる。外気がフィルター５を通過して塵埃が除去され、次いで電動ファン４に吸引され、吸気弁２を通って面体１内へ流入する。電動ファン４の回転により、面体１内への空気が流入し、面体１の内圧が所定の正圧値に保たれるので、呼吸装置使用者は楽に呼吸することができ、また外部環境の汚染空気が面体に侵入する事態の発生が防止される。

呼吸装置Ａが使用者の頭部から取り外されると、振動膜６ｅに印加される内外圧がバランスし、振動膜６ｅは初期状態に復帰し、磁石７ａとホール素子７ｂとの間の距離は初期値に復帰し、ホール素子７ｂが検知する磁石７ａの磁束密度は初期値に復帰する。制御装置８は、ホール素子７ｂから受信した磁束密度が初期値に復帰した状態が所定時間継続すると、呼吸装置Ａが使用者の頭部から取り外されたと認識し、電動ファン４を停止させる。

呼吸装置Ａにおいては、制御装置８は、前述の如く吸気時に電動ファン４に通電し電動ファン４を回転駆動して面体内圧を所定の目標正圧値に維持し、呼気時に電動ファン４への通電を停止して電動ファン４を停止させるが、更に、呼気の途中から吸気に至るまでの間、電動ファン４に微小電流を通電して電動ファン４を微小回転数で回転させる。
図３に、呼吸装置Ａを呼吸模擬装置に装着して電動ファン４を呼吸に連動して作動させつつ測定した、面体内圧と電動ファン消費電流の経時変化のグラフを示す。
従来の呼吸連動形電動ファン付き呼吸装置のように、停止していた電動ファン４を最大静止摩擦抵抗に打ち勝って所定の目標回転数近傍まで一気に増速する場合と異なり、呼吸装置Ａにおいては、既に微小回転数で回転している電動ファン４を動摩擦抵抗下で所定の目標回転数近傍まで一気に増速するので、電動ファン４には大電流は流れない。従って、図３から分かるように、面体内圧を所定の目標正圧値に維持するための通電開始時に電動ファンに大電流が流れない。
呼気の途中で電動ファン４を起動する際には、回転数を微小回転数までしか上げないので、電動ファン４には大電流は流れない。
また、停止していた電動ファン４を最大静止摩擦抵抗に打ち勝って始動させる場合と異なり、既に微小回転数で回転している電動ファン４を増速させる際には、動摩擦抵抗下で増速すれば良いので、入力電流に対する電動ファン４の応答遅れは少ない。従って、図３から分かるように、面体内圧を所定の目標正圧値に維持するための通電開始直後に面体内圧が所定の目標正圧値を大きく下回る事態は発生しない。従って、前記目標正圧値を適正範囲内で従来よりも低く設定することができ、消費電力を節減することができる。
呼気の途中から吸気に至るまでの間電動ファン４に通電される微小電流による消費電力の増加は、面体内圧を所定の目標正圧値に維持するための通電開始時に電動ファンに大電流が流れないことによる消費電力低減と相殺するので、前記微小電流の通電は消費電力の増加を招かない。

磁石７ａとホール素子７ｂとを用いて振動膜６ｅの変位を検知するのに代えて、反射体と、発光素子と受光素子とから成る光センサーとを用いて振動膜６ｅの変位を検知しても良い。
面体１は、使用者の顔面全体を覆う全面形の面体でも良い。
伝声器６の振動膜６ｅを利用して呼吸モニター装置７を形成するのに代えて、伝声器６の振動膜６ｅとは別個の膜部材を用いて呼吸モニター装置を形成しても良い。

本発明は、呼吸連動形電動ファン付き呼吸装置に広く利用可能である。

Ａ 呼吸装置
１ 面体
２ 吸気弁
３ 排気弁
４ 電動ファン
５ フィルター
６ 伝声器
６ｅ 振動膜
７ 呼吸モニター装置
７ａ 磁石
７ｂ ホール素子
８ 制御装置

Claims (1)

1. 顔面の一部又は全部を覆う面体と、面体に取り付けられた、吸気弁と排気弁と、吸気弁を介して前記面体内に外気を供給する電動ファンと、電動ファンに吸引される外気を濾過するフィルターと、面体内圧の変動に応じて変形する膜部材と膜部材の変形を検知するセンサーとを有する呼吸モニター装置と、呼吸モニター装置の検知信号に基づき呼吸に合わせて電動ファンの作動を制御する制御装置とを備え、制御装置は、吸気時に電動ファンに通電し電動ファンを回転駆動して面体内圧を所定の目標正圧値に維持し、呼気時に電動ファンへの通電を停止して電動ファンを停止させると共に、呼気の途中から吸気に至るまでの間、電動ファンに微小電流を通電して電動ファンを微小回転数で回転させることを特徴とする呼吸連動形電動ファン付き呼吸装置。

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