第一工科大学研究報告第34号(2022)pp.62-66

圧電マイクロブロアを用いた発声補助用小型ポンプユニットに関する研究
大 惠 克 俊，木 下 慧 人
鹿児島県霧島市国分中央１丁目１０番２号

Compact pump unit for speech assistance withpiezoelectric microblowers
Katsutoshi Oe and Keito Kishita
1-10-2, Kokubu-chuo, Kirishima City, Kagoshima

Abstract: In Japan, it is estimated that about 7,400 patients have undergone tracheostomy for respiratory management
using a ventilator due to dysphagia or ALS. A ventilator is a device that allows patients to breathe mechanically througha cannula attached to the tracheal orifice opened by tracheotomy. As a result, the patient loses voice even though thevocal cords, tongue, oral cavity, nasal cavity, and other articulators are healthy. Even if the patient is able to be weaned
from the ventilator, he/she may not be able to speak well due to long-term loss of use of the vocal cords. Losing voice
is a very important means of communication for human beings, and losing it is not only very inconvenient but also
causes mental stress. Therefore, a method is sometimes used in which a cannula is attached and the air is pumped intothe trachea through a suction line installed in the cannula to vibrate the vocal cords using the airflow generated by theairflow to produce vocalizations. However, this technique mainly requires oxygen cylinders and an oxygen supply
system installed in the room. Oxygen cylinders are expensive and difficult to transport due to their size and weight, andthe oxygen supply system is not portable because it is built into the room. We have focused on the use of small pumps
as an alternative air supply device to oxygen cylinders, and have proposed a pump unit that uses several small
piezoelectric microblower pumps manufactured by Murata Manufacturing Co. In particular, we have improved theperformance of the unit by improving the flow path shape, but the performance of both discharge pressure and thedischarge flow rate was insufficient.
In this report, we proposed the new shape of compact pump units with an increment of the flow rate by increasing thenumber of microblower and using the viscosity of air to draw in ambient air from the blower. And we analyzed theproposed pump units. We performed a fluid analysis of the pump unit using FEM analysis, and the results showed thatthe flow velocity was insufficient. The analysis was conducted to determine the cause of the problem, and it was inferredthat there was a problem with the cross-sectional area of the flow path.
Keywords: Dysphonia, Microblower, Piezoelectric, Alternative exhalation, Speech assistance
1. はじめに我が国において，嚥下障害や ALS 等により人工呼吸器により呼吸管理を行うため気管切開を行った患

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第34号（2022）

者は約 7,400 人いると言われている[1]．
人工呼吸器はけ，そこに気管カニューレを設置する．しかしこの状

気管切開により開けた気管孔に装着したカニューレ

態では呼気・吸気共に気管孔を通過するため声帯にを介して機械を用いて呼吸を行うものであるが，気気流が届かず，声帯が振動しないため音声の素とな管切開をすることで呼気・吸気が声帯のある咽頭上る喉頭原音が発声できなくなり音声を発することも部を通過しなくなるため声帯を振動させることがで不可能になる．しかし多くの場合は声帯そのものや，きなくなり，声の基となる喉頭原音を発生すること口腔，鼻腔，舌等の構音器官は健在であるため，声帯が不可能となる．その結果，声帯や舌，口腔，鼻腔等付近に気流を通すことで再び発声が可能となる．の構音器官が健在であるにも関わらず音声を失うこととなる．また人工呼吸器から離脱できる状況になっても，長期間に渡って声帯を使わないことで上手く発声ができないこともある．

2.2 従来の発声方法
図 1 にカニューレの吸引ラインと酸素ボンベを用いた発声方法の模式図を示す．酸素ボンベからの気音声は人間にとって非常に重要なコミュニケーシ

流は吸引ラインを通り期間内に導かれそこで放射，ョン手段であり，それを失うことは非常に不便であ

その気流により声帯を振動させて発声する方法である上に精神的なストレスを与えることにもつながる．
そこで，カニューレを装着した状態で，カニューレに設けられた吸引用のラインから空気を気管内に送り込み，それによって生じる気流を用いて声帯を振動させて発声する手法が使用されることもある[2,3]．
しかしこの手法は，主に酸素ボンベや室内に設置された酸素供給装置を必要とするため，酸素ボンベでは高コスト，サイズや重量の問題から持ち運びが困難であり，酸素供給装置は部屋に作り付けとなることから可搬性が皆無となる．

図 1. 吸引ラインと酸素ボンベを用いた発声法

そこで我々は，酸素ボンベに変わる空気供給装置として小型ポンプの使用に着目し，これまでに株式る．この酸素ボンベの代わりに室内設置型の酸素供会社村田製作所製の小型ポンプ「圧電マイクロブロ給装置を使う場合もあるが，酸素ボンベを使用するア」を複数個使用したポンプユニットを提案してき方法はその重量や大きさが問題となり，酸素供給装た．特に流路形状の改良によるユニットとしての性置はその室内でしか使用することができない点が問能向上を進めてきたが，吐出圧力，吐出流量共に性能題となる．そこで供給装置を小型化し，可搬性を高めが不足していた[4]．そこで本報告では，マイクロブロた装置とすることで，屋外や外出先でも自由に使用アの個数を増やし，かつ空気の粘性を利用してブロできると考えられる．

アからの気流で周囲の空気を取り込むことで流量の増加を試みたので，その結果について述べる．

2.3 小型ポンプを用いた発声方法
前節で述べたとおり，従来手法は気流の発生源と2. 呼吸管理による発声障害と従来の発声方法なる機構の問題により実用上非常に不便であり，広く普及させるのは困難であると考えられる．そこで

2.1 呼吸管理による発声障害

軽量小型でかつ開閉制御の容易な電動ポンプを用いALS や筋ジストロフィー，事故によるけが等によたシステムを提案する．気流発生源を今までの酸素り自力での呼吸が難しい患者は，人工呼吸器によりボンベから，発声時にスイッチ ON とする電気制御呼吸管理を行う．その際，気管切開により気管孔を開が可能な小型・軽量ポンプに置き換えることで，可搬大惠・木下：圧電マイクロブロアを用いた発声補助用小型ポンプユニットに関する研究性・経済性の向上が見込まれる．また発声時に ON，[7]であるため，5 L/min の酸素ボンベと比較して圧力非発声時に OFF となる制御を行うシステムは，我々がやや不足する分，流量は 10 個程度を並列で使用すのこれまでの研究成果ですでに作製済みである[5]．

ることで十分な性能が得られると考えた．そこで目

3. マイクロブロアを用いた小型ポンプユニット

標値を流量 100 mL/s，圧力 150 daPa と設定した．

3.1 概略
図 2 に小型ポンプユニットを用いた発声方法の模式図を示す．従来の酸素ボンベに変わり気流の発生

表 1. 気流阻止法により測定した酸素ボンベと健常男性の発声時の呼気流量と呼気圧力源として小型ポンプユニットを使用，オンオフ制御

酸素ボンベは頚部筋電位信号により行う．この制御システムは（参考）健常3 L/min5 L/min

男性の発声時電気式人工喉頭の制御用に作製したものであるが，流量 (mL/s)

55.5

84.6159.2

発声時にオン，非発声時にオフの信号を発生するこ圧力 (daPa)

110.0

221.1

21.8とが可能であり，そのまま本発声システムに適用可
3.3 試作ポンプユニット
これまでにサイズの関係からマイクロブロアを 8個使用したものを試作，その性能評価を行った．その際，流路形状を変更することで圧力が少し低下するものの流量が増加することが確認された[8]．そこでFEM 解析を用いた流路形状の改良を行った結果，流量，圧力の改善が見られたが，所望の数値を得ること
図 2. 小型ポンプユニットを用いた発声法能である．小型ポンプユニットの作製にあたり，株式会社村田製作所の圧電マイクロブロア MZB1001T02に着目した．これは圧電セラミックスで駆動されるポンプであり，１ユニット 20×20×1.85 [mm]と小型である．これを流路により複数個連結し，発声に必要とされる流量を確保することが目的としている．
3.2 ポンプユニットの必要仕様
川島ら[3]は酸素ボンベを用いた発声法を試みており，酸素流量 3 L/min から 5 L/min において発声が可能であったと報告している．そこで作製するポンプの性能目標を知るため，それらの流量および圧力を測定した．表 1 に気流阻止法により測定したそれぞれの流量と圧力および比較のため測定した健常男性の発声時の呼気流量と呼気圧力を示す．また健常者の発声時の声門下圧（声帯を振動させる際の呼気圧力）は 140 daPa 前後との報告もある[6]．
実際に使用する圧電マイクロブロアは，21 V の電圧を印加した際の流量が 11.6 mL/sec，圧力が 150 daPaはできなかった．
4. 新形状ポンプユニット
4.1 新しいポンプユニット形状の提案
これまではポンプの小型化を重視し，酸素ボンベの流量を基準としてマイクロブロアを 8 個用いてきたが，性能不足であったため本報告では 12 個に増やしたものを提案した．また従来のポンプユニットは，ポンプから出る気流のみを流路により集合させて使用していたが，流量不足が顕著であったため空気の粘性を利用してさらに空気を取り込むことで流量が増加することを期待した形状とした．図 3 に提案するポンプユニットの模式図を示す．
これは周囲にマイクロブロアを 12 個並べ，それぞれの吹き出し口から延ばした個別流路の出口がユニット中央を貫通した主流路に合流するように開口した形状を持つ．これらの個別流路からの気流が作る合成流で図 3 の右図左方からの空気を取り込み，流量の増加を期待するものである．個別流路の内径を 2

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mm，主流路の内径を 6 mm とした．この形状を基に

図 4，5 に解析に用いたモデルを示す．外寸は図 3

個別流路の形状を変えたモデルを SolidWorks を用いに準ずる．図 5 は図 4 に比べ，個別流路の角度が緩て 2 種類作成し，同ソフトの有限要素解析機能 Flow

やかになっており，主流路への合流の角度もあさく

Simulation を使用して流量を求めた．

なっている様子が見える．それぞれのモデルについて，以下の条件で有限要素解析を行った．
１．マイクロブロア吹き出し口（個別流路入口）の体
積流量：11.6 mL/s
２．主流路入口および出口：大気圧開放
4.3 流体解析結果
図 6 に a にモデル 1 の結果を，b にモデル 2 の速度ベクトルを示す．また表 2 に見積もられた主流路出口での流速を示す．これらからモデル 2 の方が高い

図 3. 新形状ポンプユニット
4.2 有限要素法を用いた流体解析流量が得られていることが明らかとなった．しかしいずれも流量は目的とした 100 mL/s よりはるかに小さく，使用に適さないことが明らかとなった．これは主流路の入口付近を観察することで，主流路に取り込まれると予測された空気が逆向きに流れていることに起因すると推測された．

図 4. 解析用モデル 1a) モデル 1b) モデル 2

図 6. 有限要素解析結果（流速ベクトル）
表 2. 有限要素解析により求められた各モデルの流量流量 (mL/s)

モデル 1

モデル 2（参考）目標値

8.25

16.69

100

4.2 逆流の原因についての考察
主流路入口付近の逆流の原因を推測するため，モ
図 5. 解析用モデル 2

デル 2 において個別流路のうち主流路入口側に近い4 本を前段，出口側に近い 8 本を後段と分類して，前大惠・木下：圧電マイクロブロアを用いた発声補助用小型ポンプユニットに関する研究段側のみに空気を流す条件，後段側のみに空気を流有限要素法による流体解析を行い，その性能評価をす条件の２種類で解析を行った．その結果を図 7 に行う．またダイソンなどが用いているコアンダ効果示す．a に示す前段側にのみ流した場合では，主流路を応用した新形状についても模索を行い，より高性入口から主流路内への空気の流れが見られるのに対能な小型ポンプユニットについて研究を進めていく

し，b に示す後段側にのみ流した場合では主流路入口予定である．

付近で逆流が生じた．前段側のみと比較して後段側のみの場合は個別流路から流入する気流の数が単純に 2 倍になっており，このことから流入部での圧力が上昇し過ぎることで逆流が生じたと考えられる．

謝辞
本研究の一部は JSPS 科研費 JP20K11226 の助成を受けたものである．

従って主流路の断面積を個別流路が合流する度に段階的に増やす，もしくは全ての個別流路が合流して参考文献も圧力が高くなり過ぎなくなるまで断面積を増やす[1] 宮地隆史, 全国都道府県別の在宅人工呼吸器装着などの解決策が考えられる．

者 調 査 （ 2018 年 ） , https://plaza.umin.ac.jp/nanbyokenkyu/asset/cont/uploads/2019/04/全国都道府県別在宅人工呼吸器装着者調査 2018.pdf (参照 2022-03-04)[2] 太田昭生, 佐々木登, 宇藤健司, 脳出血患者に発声用サイドライン付き気管カニューレ（ボーカレイド TM）を利用した発声訓練の経験, リハビリテーシ
ョン医学, vol.43 (suppl), S189, 2006a) 前段側のみb) 後段側のみ

図 7. 有限要素解析結果（流速ベクトル）[3] 川島広明, 稲葉貴恵, 柳澤篤美, 他, 気管切開患者における吸引チューブを使用した発声訓練の検討，
音声言語医学, vol.51, No.1, pp.87, 2010

5. 結言
本報告では，気管カニューレ使用者が発声をする[4] 木場智美, 大惠克俊, 圧電振動子を用いた発声補
助用小型ポンプの研究, 日本機械学会講演論文集,ための圧電マイクロブロアを用いた発声用小型ポン

Noo.218-2, 演題番号 716, 2021

プの実現を目指して，空気の粘性を利用して流量を[5] K.Oe, An electrolarynx control method using

増加させることを期待した新しい形状のポンプを提myoelectric signals from the neck, Journal of Robotics and

案し，有限要素解析によりその流量を求めた．以下にMechatronics, vol.33, No. 4, pp.804-813, 2021

得られた知見を示す．

[6] 黒木康二, 発声時の声門下圧に関する研究, 耳鼻と臨床, No.15, pp.54-74, 1969

1) 個別流路は曲がりが緩やかで，かつ主流への合流する角度が浅い方が流量が大となる．
2) 本形状では必要とする流量は得られなかったが，[7] 株式会社村田製作所ウェブサイト, 製品情報 マ
イクロブロア MZB1001T02, https://www.murata.com/
ja-jp/products/mechatronics/fluid/overview/lineup/

その原因についての追加解析を行ったところ，主microblower_mzb1001t02

流路の断面積が少なすぎる点に原因があること[8] K.Ooe, A Speech assistance compact pump system withが推測された．

piezo micro pump units, Proc. of ICFPAM 2013, BIO-T8,2013

今後は主流路の断面積を大きく取る，もしくは断面積を段階的に大きくした形状を持つモデルを作成，