技術 民生に適合する電動ファン付き呼吸用保護具

0001

本発明は、電動ファン付き呼吸用保護具（ＰＡＰＲ）の半面体式本体とフィルム状使い捨て濾過材の新しい構造案に関するものである。

0002

新興国の急速な経済発展に伴ってエネルギーの社会消費量が拡大し続けている。同時に居住環境の深刻な大気汚染問題も引き起こした。元凶のエネルギーインフラ機器と自動車のグリーン化改造と入替は経済的な理由で長い周期を要する。その間、マスクの着用は最も現実の個人防護手段と考えられる。

0003

周知の通りマスクの濾過（除麈）能力は濾過抵抗に反比例なので、体力の弱い、特に呼吸器官と心臓に疾患を患う人にとって、高抵抗の高除塵率のマスクは無用の長物である。呼吸抵抗を外力での軽減案として、既に産業界で普及された、防塵、防毒の電動ファン付き呼吸用保護具の転用が考えられる。但し、都市の日常生活での着用を前提するため、濾過材を直結の半面体式に限定されると考えられる。

0004

この種の呼吸用保護具は、例えば特許文献１の図１に示してあるように、概ね吸気（装着）ダクト、電動ファン、逆止排気弁、制御回路基板を内蔵した硬質のドーム状ケーシングに、軟質ゴムでモールド成形された顔面にフィットするカバーを被せでできた面体と、吸気ダクトに装着した脱着交換可能のカートリッジ式濾過材で構成してある。

0005

呼吸補助する制御システムのメカニズムは、感知センサが吸気を検知したら、電動ファン回転速度の加速でより多い空気が濾過材を経て面体に送込まれ、面体内の陽圧が高くなり、吸気抵抗が軽減される。又、呼気を検知したら、電動ファン回転速度の減速で面体内の陽圧が弱まり、呼気抵抗が軽減させる。又、電動ファンの減速より、電池稼働時間の延長、及び通気量の減少によって高価の濾過材の延命も、制御システムの重要な役割である。

0006

ＪＰ２００８−１１９３１９Ａ

0007

この種の呼吸用保護具の着用環境を鉱山等作業場と比較して汚染程度に軽い都市の日常生活に改め、着用者も健全者だけでなく、体力弱者の老人、児童、心肺疾患の患者までを網羅した場合、幾つかの課題が存在する。

0008

その一、濾過材カートリッジと吸気（装着）ダクトの外部露出問題。近代の呼吸用保護具の技術発展は決して人に良い思い出を与える歴史ではない。都市の日常生活での濾過材カートリッジが丸見えのマスクの着用は、周囲にとって極めて威圧的な存在と考えられる。外形的にこれらの要素を如何に隠す事が最大の課題と認識する。基準と言えば、市販品の両頬に排気弁付きのスポーツマスクは都市の日常生活に受け容れられる合格ラインと考えられる。

0009

その二、既存のこの種の呼吸用保護具は、交換式の濾過材カートリッジが一番外側に配置されてある。外見問題を度外視の場合、カートリッジと吸気タクトを以て吸引力を内部で消却する構造は力学的に合理的である。しかし、着用者にとって、皮膚と直接接触の面体及び吸気タクト、吸気ファン等は全部飛沫に曝される。現代の衛生観念では、洗浄可能なスポンジ飛沫パットがあっても不満足と考えられる。構造上に皮膚と接触部に使い捨て構成要素の入替が望ましい。

0010

その三、既存のこの種の呼吸用保護具は重い。電池を算入せずに、最軽量のも裕に２００ｇを超えた。特に着用状態において、殆どの構成（重量）要素が顔面中央の口鼻の延長線上に集中し、頭部を支える頸椎に対してトルク負担が大きい。改良に当たって、個々の構成要素の軽量化だけでなく、個々の要素の配置位置を支点の首に近付けてトルクを減らす必要がある。

0011

その四、想定着用者及び使用環境の変化、電子と電池技術の進歩により、制御システム重点は面体に籠る水蒸気の排出と呼気抵抗の軽減等の着用感触の改善にあり、特に高い面体内陽圧にも耐えうる逆止め排気弁の弁膜が着用者の呼気圧で押し開けなければならない問題の改善にある。

0012

上記諸課題を解決するために、個々の構成要素から、互いの組立の連結関係までの説明を以て、全く新しい本考案の機能と効果を開示する。

0013

本考案は、
口、鼻及び両頬を含む顔面の大半を覆う曲面状で、柔軟且つ伸縮性の小さい気密性薄膜で立体成形されたマスク面体と、
マスク面体の曲面に略同する形状と寸法を有し、曲率が若干小さい曲面状で、布状濾過材で立体成形された使い捨てマスクフィルターと、
２つの間隔を置いた圧着面とその圧着拘束機構を備えた台付きボルト状本体の外形を有し、中空の内部に機能構造と電気導通が自己完結し、外部との導通機構を有し、必要に応じて分解可能な独立部品の排気弁ユニットと
排気弁ユニットと同様の輪郭と寸法を備えた台付きボルト状本体の外形を有し、中空の内部に機能構造と電気導通が完結され、外部との導通機構を有し、必要に応じて分解可能な独立部品の吸気ファンユニットと
２対計４個の圧着拘束具
の一次構成要素がある。

0014

マスク面体とマスクフィルターは、其々の両頬の対称位置に排気弁ユニットと吸気ファンユニットを通過させ、台付きボルト状本体の圧着面に合致する２対の同軸固定孔を備えてある。但し、上記マスクフィルター上の同軸固定孔の直径が若干小さい。

0015

マスク面体とマスクフィルターは、其々の曲面の周縁に沿って気密性の環状ファスナーの互いに嵌合の片側を備えてある。当該環状ファスナーは、周縁側のできるだけ少ない面積を以て相手面との脱着容易の気密連結機構である。機構も対面実装のマジックテープ、対面実装のレールファスナー、側面実装の線ファスナー等複数があり、いずれの嵌合後の内部間隔は約２ｍｍと考えられる。マスク面体とマスクフィルターの製造方法と使用材料の性質に合わせて選択可能。

0016

マスク面体の曲面内側の中央の口鼻先包絡線で構成する谷に、マスクフィルターは曲面外側の中央の口鼻先包絡線で構成する稜線に、脱着可能な嵌合で間隔を固定する間隔拘束具の互いに嵌合の片側を備えてある。

0017

本考案の一次構成要素の組立手順は、
先ず、排気弁ユニットと吸気ファンユニットを
其々、マスク面体及びマスクフィルターの片側の２つの同軸固定孔に、曲面外側から通して、台付きボルト状本体にある２つの圧着面に別々、圧着拘束具を以てマスク面体とマスクフィルターを挟んで圧着固定する。

0018

次に、マスク面体の曲面内面に施してある配線を連結導通し、マスク面体の曲面内側とマスクフィルターは曲面外側の中央の口鼻先包絡線上に施してある間隔拘束具を嵌合連結する。

0019

最後に、スク面体とマスクフィルターの周縁に施してある環状ファスナーを嵌合連結して、中央に固定隙間を持つ周縁が接する曲面内部空間を有するマスク完成体を構成する。

0020

未使用状態のマスク完成体は、空間表面のマスク面体とマスクフィルターにゆとりが有り、全体も柔軟である。例えば収納為の中央に沿った二折り等の変形も可能。

0021

着用状態のマスク完成体は、電動ファンの吸気による内部陽圧で生じる曲面の膨張張力が、構造の拘束力に加えて着用の束縛力と拮抗均衡して、曲面空間が形状維持の剛性に変貌する。

0022

着用状態でのマスクフィルターは、幾何学的に曲面外側から曲面空間の内圧を受圧する構造である。内圧で拘束の境に沿って、マスクフィルターが曲面の内側に反転して膨張する。両頬の部分では、曲率が小さくて、中央に圧着拘束する排気弁ユニットと吸気ファンユニットがあり、膨らみは限定的と考えられる。又、この膨らみはマスクフィルターの曲面内側に露出する圧着拘束具を埋め、皮膚に滑な接触感を与える。

0023

しかし、口鼻先の包絡線部分は、四方から突起の峰で、両頬にある排気弁ユニットと吸気ファンユニットの圧着は膨らみを一方向しか拘束できず。マスクフィルターの中央稜線部分が曲面内側に押し潰され、口と鼻を塞ぐ可能性を回避ため、前述した間隔拘束具が必要。但し、間隔拘束具は空間内部の空気流動を遮断してはいけない。間隔拘束具の機構はレールファスナー、フック、スナップボタン等複数の選択肢があり、実施形態に合わせて選択可能。

0024

排気弁ユニット及び電動ファンユニットは、両頬に対称配置なので、外形と寸法が同一である。マスク面体の曲面外側に、構成要素を露出させないため、ドーム状保護カバーを冠した台付きボルト状本体の頭部が、圧着面としてマスク面体の曲面外側に残し、曲面内側から圧着拘束する。

0025

圧着拘束機構に関しては、圧着拘束を解く外力が弱く、着用状態において内部陽圧も圧着力増に働くので、機構の選択肢は比較的に広い。例えば止め輪、サークリップ、ワイヤーバンド、ネジ等があり、実施形態に合わせて選択可能。但し、マスクフィルターの交換が頻繁で、圧着機構も顔面の極近にあるため、突起物がなく、開閉容易なネジが望ましいと考えられる。
台付きボルト状本体の２つの圧着面を圧着される曲面と正接する同軸固定孔の中心軸回転曲面にして、着用状態での視覚感を改善する。

0026

排気弁ユニット及び電動ファンユニットの機能に関しては、概ね先行案と同様に機能するが、同一寸法の薄殻台付きボルト状本体の外形より、異なる機能分担のため、其々の本体内部に不用の空間が生じ、追加機能の新しいデバイスを設け可能になった。

0027

その一、排気弁ユニットには、静止状態の排気弁膜が覆う位置の弁座面に排気弁膜を強制開く電磁弁を追加する。それに伴い、弁膜形状、弁座配置の変化が必要。最大の変化は制御システムにある。

0028

着用者が自主呼吸者で、明確な呼吸循環と気道内圧変動が検知可能のため、電磁弁を追加した制御システムには、検知センサと関連回路の挙動は公知の先行案と同様であるが、制御ポリシーが、呼吸追随して呼気検知してから吸気ファンを減速し、面体内圧を下げて呼気抵抗を軽減するがら、直前十数の呼吸循環の気圧変化パターン及び循環時間の変動傾向を用いて呼気予測して呼気直前に、排気弁膜を電磁弁より強制開き、呼吸転換相の時間を以て面体内の湿気を一掃する。電磁弁が復位して吸気ファンが面体内圧の陽圧維持の極限まで減速し、大気中に曝露される状態の呼気感覚を作り出せる。単発な予測誤差は、呼吸転換相の時間で吸収し、吸気検知より復位する。
その効果は、人工呼吸器の呼吸サポートモードの挙動に類似する。
制御システムの詳細に関しては、ＩＴ技術の実施分野に属し、本考案と直接関連がなく、此処での詳述が省く。

0029

その二、口元の極近にある吸気ファンユニットの底蓋を、電動ファンの回転軸心に配置した口元へ指向した指向性マイクとノイズ除去の音声回路を備えた基板が底蓋状の一体モジュール化された会話デバイスに交換して、吸気ファン背後の底部空間に内蔵する。

0030

それに伴い、吸気ファンユニットのマスク面体の外側に露出する頭部に、２、３ｍｍ角の表面実装スピーカ及び内部配線の設置が必要。しかし、薄膜モジュールを用いて音波震動を伝送する公知の先行案に比較して、遥に鮮明な会話が可能となる。
底蓋状の会話デバイスモジュールの詳細に関しても、ＩＴ技術に実施分野に属し、本考案と直接関連がなく、此処での詳述が省く。

0031

上述の説明より、新しい構成により、外部露出に相応しくない構成要素を、顔面にフィット軟体の面体に内蔵させ同時に、皮膚と接触部の部品も使い捨て部品に入替られた。又、両頬の全面が濾過材の為の濾過材面積が倍増となり、吸気ファンの低速化か、低コストのマスクフィルター材料の変更にも繋がる。

0032

剛性維持要素の破棄により軽量化された軟質の面体に、２つの薄殻台付きボルト状本体の独立ユニットが口鼻先の延長線から両頬への配置転換を加えて、相当な減重感を得られる。
電磁弁を追加した排気弁ユニット及びそれに付随する制御システムは、着用者に清潔な大気中でマスク未着用状態以上の快適な呼吸環境を提供可能。
又、会話デバイスの装着も、今までマスク着用の不便感を一掃できると考えられる。

0033

マスク面体マスクフィルター逆止排気弁ユニットと部品分解図吸気ファンユニットと部品分解図 全体組立の分解図 組立後の全体図 組立後の全体横と縦の部分断面図 特許文献１の第１図

0034

以下、図面を用いて、本考案の望ましい実施形態を説明する。図１から図４は、通常に分解できる一次構成要素の部品と独立ユニットを示してある。図５から図７までは、組立順序及び組立後の構造を示してある。図と説明には、特定の材料、構造、製法に言及するが、例を以て説明に過ぎなく、これに限定されるものではない。

0035

図１に嵌合連結用の気密性環状ファスナーを対面式の環状レールファスナーに選択した、薄膜で立体成形され、鼻及び口を含む両頬の大半を覆う曲面のマスク面体Ａを示してある。

0036

マスク面体Ａの曲面周縁に沿って、曲面内面にマスクフィルターＢと嵌合連結用環状レールファスナーの嵌合の片側Ａ３が設けられてある。又、レールファスナーＡ３、Ｂ３の嵌合力が内圧の膨張に強く、外部の解錠に弱くさせる様に、レールの嵌合断面の設計に工夫が必要。

0037

両頬の対称位置の曲面に、２つの同軸固定孔Ａ１、Ａ２が開孔されてある。マスク面体Ａ外側での呼気と吸気の混流を防ぐため、排気弁ユニットＣには装着角度があり、又各ユニットとの配線連結にも位置合わせが必要の為、同軸固定孔Ａ１、Ａ２の円周に、其々装着角度を設定する楔を嵌めさせる割目が施してある。

0038

マスク面体Ａの曲面内側中央の最大曲率の谷に沿って、曲面空間を全部遮断しない中央部分に、マスクフィルターＢとの間隔を固定するレールファスナーの片側の間隔拘束具Ａ４を備えてある。

0039

マスク面体Ａの曲面内面に外部電源、排気弁ユニットＣ、吸気ファンユニットＤの間の電力と信号を導通する配線を施してある。配線構造は極めて簡単だが、マスク面体Ａの曲面内面の実装空間に制限があり、フレキシブル基板の実装が比較的容易と考えられる。

0040

又、フレキシブル基板を曲面内面とレールファスナー間の隙間から引出して、着用バンドの掛けフグの背後に設けるコネクターを経て外部の電源線と接続する。外部の電源線は着用バンド隠し、耳介の後で人体行動へ影響無い様に垂らして電池と連結することは望ましいと考えられる。

0041

マスク面体Ａは幾何学的に曲面内側から曲面空間の内圧を受圧する構造である。着用状態では、内圧による外側への膨張傾向があり、外見を維持するため、薄膜の伸縮性に抑制が必要。可能なら、繊維補強材を使用して薄膜の伸縮性を完全に抑制する選択肢もある。薄膜の伸縮性の減少で曲面に張力がより強く働き、曲面空間がより安定的な形状を維持可能となる。

0042

マスク面体Ａは、皺が残らない柔軟、強靭且つ伸縮性が少ない極薄の曲面膜と一定の剛性を以て強い嵌合を維持するレールファスナーで構成される。異なる物性要求により、同一材料での成形は困難と思われるが、必要に応じて其々の材料で立体成形後、接着を以て全体成形することは比較的に現実の方法と考えられる。

0043

図２は、マスク面体Ａに合わせて、布状濾過材で立体成形された曲面のマスクフィルターＢを示してある。マスクフィルターＢは、マスク面体Ａに比較して、曲率が若干小さい、形状と面積が略同じである。

0044

周縁に沿って、曲面外側にマスク面体Ａの対面式の環状レールファスナーＡ３に対応した嵌合の反対側Ｂ３を設け、曲面にマスク面体Ａの同軸固定孔Ａ１、Ａ２と其々同軸する直径の若干小さい２つの同軸固定孔Ｂ１、Ｂ３を開孔してある。

0045

曲面外側中央の最大曲率の稜線に沿って、曲面空間を全部遮断しない中央部分に、マスク面体Ａの間隔拘束具Ａ４に対応した、レールファスナーの嵌合の反対側の間隔拘束具Ｂ４を設けてある。

0046

又、曲面内側の周縁に沿って、略平面且つ不均一幅を有する環状接顔パットＢ５を取り付けてある。環状接顔パットＢ５と顔面の２つの異なる曲率を持つ曲面間に、装着バンドの拘束力と面体内部陽圧によって、接触面積と圧着力の増加の２つ効果を見込まれる。

0047

マスクフィルターＢの曲面は、一層又は複数層の濾過機能を有する不織布を重なって構成された軟い布状濾過材である。布状に一体化可能なら、各層の濾過機能には問わない。

0048

マスクフィルターＢの整形は、概ね２通りが考えられる。その一は、布状濾過材を立体裁縫で成形して、別途で立体成形された環状レールファスナーＢ３と間隔拘束具Ｂ４、裁断された環状接顔パットＢ５を接着して成形する。その２は、環状レールファスナーＢ３と間隔拘束具Ｂ４に極薄の細リブを付け加えて、マスクフィルターＢの所定曲面に立体成形されたフレームに、２枚の嵌め込む形状に裁断した布状濾過材Ｂ１と環状接顔パットＢ５を接着して成形する。

0049

図３は、２つの圧着拘束機構をネジ式に仮定した排気弁ユニットＣ及びユニットの部品分解を示してある。

0050

台付きボルト状本体Ｃ１の貫通中空孔は排気孔とし、大きい直径の２段目の内面は逆止排気弁の弁座と機能する。その上にドーム状保護カバーＣ２が装着してある。保護カバーＣ２内空間に、弁膜装着具と機能する制御モジュールＣ３と固定された排気弁膜Ｃ４が備えてある。

0051

制御モジュールＣ３には、電源回路、検知センサと吸気ファン回転速度と排気弁開閉の制御回路を実装した回路基板を内蔵されてある。

0052

台付きボルト状本体Ｃ１の弁座面の静止状態の排気弁膜Ｃ４が覆う位置に、排気弁膜Ｃ４を強制開く電磁弁Ｃ５が設けてある。

0053

圧着拘束具Ｆは、大きい直径の２段目で、マスク面体Ａを圧着するものである。

0054

圧着拘束具Ｇは、小さい直径の１段目でマスクフィルターＢを圧着するものである。

0055

排気弁ユニットＣは、必要に応じて分解可能の独立部品であるが、内部導通が完結され、弁台付きボルト状本体Ｃ１の円柱面に接続コネクターがあり、外部と接続すれば動作する。
稼働時の挙動については、既に前述の機能と効果の開示に述べたので、此処での再論を省く。

0056

図４は、２つの圧着拘束機構をネジ式に仮定した電動ファンユニットＤ及びユニットの部品分解を示してある。

0057

台付きボルト状本体Ｄ１が中空であり、リブを以てＤＣモーターコアＤ３を固定し、大きい直径の段の内面は吸気ファンのケーシングと機能する。その上にＤＣモーター回転子を内蔵したプロペラーＤ４とドーム状保護カバーＤ２がある。

0058

吸気ファンの排気孔としてケーシングの大きい直径の段円柱面に開孔する。この開孔に伴い、円柱面の圧着ネジも断続的なった。そのファン排気孔に逆止めの吸気弁膜Ｄ６を設置する。

0059

台付きボルト状本体Ｄ１底部は底蓋Ｄ５で密閉する。前述通り、底蓋Ｄ５は追加機能の会話デバイスモジュールと入替が出きる。

0060

圧着拘束具Ｆは、大きい直径の２段目で、マスク面体Ａを圧着するものである。

0061

圧着拘束具Ｇは、小さい直径の１段目でマスクフィルターＢを圧着するものである。

0062

電動ファンユニットＤは、必要に応じて分解可能の独立部品であるが、内部導通が完結され、弁台付きボルト状本体Ｄ１の円柱面に接続コネクターがあり、外部と接続すれば動作する。
稼働時の挙動については、既に前述の機能と効果の開示に述べたので、此処での再論を省く。

0063

図５では、全体の部品分解図である同時に、組立の順序も明示した。

0064

排気弁ユニットＣを曲面外側からマスク面体Ａの一側の同軸固定孔Ａ１に通して、圧着拘束具Ｆが曲面内側から、保護カバーＣ２が曲面外側に露出される状態でマスク面体Ａを圧着固定する。

0065

電動ファンユニットＤも同様に曲面外側からマスク面体Ａの反対側の同軸固定孔に通し、圧着拘束具Ｆが曲面内側から、保護カバーＤ２が曲面外側に露出される状態でマスク面体Ａを圧着固定する。
其々とマスク面体Ａの曲面内面の配線に接続する。

0066

次に、曲面外側からマスクフィルターＢの同軸固定孔に、其々排気弁ユニットＣと電動ファンユニットＤを通して、圧着拘束具Ｇで圧着固定する。曲面中央の間隔拘束具Ａ４とＢ４を連結してから、周縁の環状ファスナーＡ３とＢ３を嵌合して密閉する。これより組立が完了し、スタンバイ状態となり、外部の電池と連結すれば、随時に着用可能である。

0067

図６、図７では、組立完了の全体図と随意の縦、横断面の断面を示してある。

0068

図７の断面図には、排気弁ユニットＣと電動ファンユニットＤを挟んで組み立てしたマスク面体ＡとマスクフィルターＢは、排気弁ユニットＣ及び電動ファンユニットＤでの圧着拘束、周縁の環状ファスナーＡ３、Ｂ３の嵌合拘束によって、幾何学的に異なる曲率の２つの曲面が中央に固定隙間を有し、周縁が接する曲面内部空間を形成されること明確に見える。

0069

スタンバイ状態では、空間表面にゆとりが有り、全体も柔軟である。例えば収納為の中央に沿った二折り等の変形が可能。

0070

着用状態では、電動ファンの吸気による内部陽圧で生じる曲面の膨張張力が、組立の構造拘束力に加えて着用の束縛力と拮抗均衡して、曲面空間が形状維持の剛性に変貌する。

0071

軽量且つ扱い簡単、収納も容易な構造で、フィルターも限定されてないので、日用だけでなく、産業用としても、十分な可能性が秘めてある。

0072

Ａマスク面体
Ａ１、Ａ２同軸固定孔
Ａ３ファスナー
Ａ４ 間隔拘束具
Ｂマスクフィルター
Ｂ１、Ｂ２ 同軸固定孔
Ｂ３ ファスナー
Ｂ４ 間隔拘束具
Ｃ排気弁ユニット
Ｃ１ 排気弁ユニット本体
Ｃ２ドーム状保護カバー
Ｃ３弁膜装着具を兼ねた制御モジュール
Ｃ４ 排気弁膜
Ｃ５電磁弁
Ｄ吸気ファンユニット
Ｄ１ 吸気ファンユニット本体
Ｄ２ ドーム状保護カバー
Ｄ３ファンモーターコア
Ｄ４モーター回転子を内蔵したプロペラー
Ｄ５底蓋、会話デバイスモジュールの何れか
Ｄ６ 吸気ファン弁膜
Ｆ マスク面体の圧着固定ナット
Ｇ マスクフィルターの圧着固定ナット