KR20200139511A

KR20200139511A - 압전 액추에이터를 이용한 플런저 구동 방식의 무침 주사 장치

Info

Publication number: KR20200139511A
Application number: KR1020190066110A
Authority: KR
Inventors: 함영복; 박중호; 윤소남
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2019-06-04
Filing date: 2019-06-04
Publication date: 2020-12-14
Also published as: KR102334754B1

Abstract

본 발명은 약물을 주입하는 무침 주사 장치에 관한 발명으로, 일 실시예에 따르면, 통형상의 주사장치 케이스; 약물을 수용하는 약물 수용 공간을 가지며 상기 케이스의 하부에 결합되고 하단부에 노즐이 부착된 노즐 어셈블리; 상기 케이스 내에 배치되되 상방향으로부터 상기 노즐 어셈블리의 약물 수용 공간으로 적어도 부분적으로 삽입되어 상하 방향으로 이동가능한 플런저; 및 상기 케이스 내부에 설치되며 일 단부가 상기 플런저의 상부면과 접하도록 배치된 압전 액추에이터;를 포함하는 무침 주사 장치를 개시한다.

Description

압전 액추에이터를 이용한 플런저 구동 방식의 무침 주사 장치 {Needle-free syringe with plunger driven by piezoelectric actuator}

본 발명은 무침 주사 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 약물 분사를 위해 압전 액추에이터를 이용하여 플런저를 구동하는 신규한 구조의 무침 주사 장치에 관한 발명이다.

종래부터 사람이나 동물의 생체 내에 약물을 주입하는 무침(needle-free) 주사 장치가 사용되고 있다. 무침 주사 장치는 바늘(needle)이 없기 때문에 주사 장치의 분사 노즐에서 약물이 짧은 시간에 높은 압력으로 분사되어 생체 내로 주입되어야 하고, 이를 위해 주사 장치 내의 플런저(피스톤)를 움직여서 약물을 분사한다.

종래 무침 주사 장치는 플런저를 움직이기 위해 예컨대 압전소자, 화약 폭발, 고압 가스 등을 사용한다. 화약 폭발 방식의 경우 한번 사용된 화약을 버리고 화약을 다시 공급해주어야 하며 고압 가스 방식의 경우에도 한번 사용된 가스를 배출하고 새로운 고압 가스를 공급받아야 하는 문제가 있다.

따라서 이러한 기존 방식의 문제를 해결한 신규한 방식으로 플런저를 구동하여 약물을 분사하는 무침 주사 장치의 필요성이 제기된다.

특허문헌1: 한국 공개특허공보 제2006-0061925호 (2006년 6월 8일 공개) 특허문헌2: 일본 공개특허 제2017-104541호 (2017년 06년 15일 공개) 특허문헌3: 한국 등록특허 제10-1502752호 (2015년 3월 16일 공고)

본 발명의 일 실시예에 따르면 압전 액추에이터를 이용하여 임펄스 형태의 분사 압력으로 단시간에 약물을 생체내에 주입할 수 있는 무침 주사 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 생체 내에 주입할 약물의 주입량을 조절할 수 있는 구조를 갖는 무침 주사 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 약물을 주입하는 무침 주사 장치로서, 통형상의 주사장치 케이스; 약물을 수용하는 약물 수용 공간을 가지며 상기 케이스의 하부에 결합되고 하단부에 노즐이 부착된 노즐 어셈블리; 상기 케이스 내에 배치되되 상방향으로부터 상기 노즐 어셈블리의 약물 수용 공간으로 적어도 부분적으로 삽입되어 상하 방향으로 이동가능한 플런저; 및 상기 케이스 내부에 설치되며 일 단부가 상기 플런저의 상부면과 접하도록 배치된 압전 액추에이터;를 포함하고, 상기 압전 액추에이터에 전원을 인가하면 상기 압전 액추에이터의 길이가 고속으로 소정 변위 증가하여 플런저를 가압함으로써 상기 약물 수용 공간에 수용된 약물을 상기 노즐을 통해 분사하도록 구성된 것을 특징으로 하는 무침 주사 장치를 개시한다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 약물을 주입하는 무침 주사 장치로서, 내부 공간을 갖는 통형상이며 하단부에 노즐이 부착된 주사장치 케이스; 상기 케이스 내에 배치되어 상기 케이스의 내부 공간을 상부 공간과 하부의 약물 수용 공간으로 구획하며 상하 방향으로 이동가능한 플런저; 상기 케이스의 상부 공간에 위치하며 일 단부가 상기 플런저의 상부면과 접하도록 배치된 압전 액추에이터;를 포함하고, 상기 압전 액추에이터에 전원을 인가하면 상기 압전 액추에이터의 길이가 고속으로 소정 변위 증가하여 플런저를 가압함으로써 상기 약물 수용 공간에 수용된 약물을 상기 노즐을 통해 분사하도록 구성된 것을 특징으로 하는 무침 주사 장치를 개시한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 압전 액추에이터를 이용하여 임펄스 형태의 분사 압력으로 약물을 단시간에 생체에 주입할 수 있는 신규한 방식의 무침 주사 장치를 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면 주사장치 케이스와 노즐 어셈블리를 체결할 때 체결 높이를 조절하거나 케이스 상부의 조절 볼트를 조절하여 플런저의 위치를 조절할 수 있도록 구성하여 필요에 따라 약물 주입량을 편리하게 조절할 수 있다.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무침 주사 시스템을 설명하기 위한 도면,
도2는 제1 실시예에 따른 무침 주사 장치를 설명하기 위한 도면,
도3은 일 실시예에 따른 호스 연결부를 설명하기 위한 도면,
도4는 일 실시예에 따른 무침 주사 장치의 일부 구성의 확대도,
도5는 노즐의 오리피스 직경에 따른 압력 및 약물 주입 용량의 관계를 설명하는 도면,
도6은 대안적 실시예에 따른 약물 수용 공간의 하부면 형상을 설명하는 도면,
도7은 제2 실시예에 따른 무침 주사 장치를 설명하기 위한 도면,
도8은 본 발명의 무침 주사 장치의 효과를 설명하기 위한 도면이다.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.

본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 구성요소들을 기술하기 위해서 사용된 경우, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.

본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprise)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

이하 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는 데 있어 혼돈을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무침 주사 시스템을 나타낸다. 도면을 참조하면 일 실시예에 따른 무침 주사 시스템은 무침 주사 장치(10), 전원부(20), 및 약물 챔버(30)로 구성될 수 있다. 무침 주사 장치(10)는 통형상의 케이스(11) 및 이 케이스(11)의 하부에 결합되는 노즐 어셈블리(12)를 포함한다. 노즐 어셈블리(12)에는 약물을 수용하는 약물 수용 공간(S)이 형성되고 하단부에는 약물을 분사하기 위한 오리피스(16)가 형성되어 있다. 도시한 것처럼 케이스(11)와 노즐 어셈블리(12)는 각각 형성된 후 나사결합 방식 등으로 체결될 수도 있고 대안적으로 일체로 형성될 수도 있다.

케이스(11)와 노즐 어셈블리(12)에 의해 형성되는 내부 공간에 압전 액추에이터(13)와 플런저(14)가 배치된다. 플런저(plunger)(14)는 케이스(11) 내에 배치되되 상방향으로부터 노즐 어셈블리(12)의 약물 수용 공간(S)으로 적어도 부분적으로 삽입되어 상하 방향으로 이동가능 하도록 구성된다.

압전 액추에이터(13)는 전압이 가해질 때 길이가 증가하는 압전 소자가 다수개 적층된 형태로 구성되고 케이스(11) 내부 공간에 설치된다. 압전 액추에이터(13)의 상단부는 케이스(11)의 상부측에 고정되고 하단부는 플런저(13)의 상부면과 직접 또는 간접적으로 접하도록 배치된다.

이러한 구성에 따라, 전원부(20)에서 압전 액추에이터(13)에 전압을 인가하면 압전 액추에이터(13)의 길이가 길어지며 플런저(14)를 가압하고 플런저(14)가 아래 방향으로 움직임에 따라 약물 수용 공간(S)의 약물이 오리피스(16)를 통해 분사된다.

플런저(14)와 노즐 어셈블리(12) 사이에는 스프링과 같은 탄성부재(15)가 개재되어 있고, 압전 액추에이터(13)가 원상태로 길이가 줄어들면 탄성부재(15)의 복원력에 의해 플런저(14)도 원위치로 복귀할 수 있다.

약물 챔버(30)는 생체 내로 주입할 약물을 수용한다. 본 명세서에서 "생체"는 사람이나 동물, 식물 등 임의의 생물체를 포함하는 의미로 사용되며 "약물"은 생물체에 대한 질병의 예방, 진단, 또는 치료의 목적으로 이용되는 액상 물질 뿐만 아니라 생물체에 주입 가능한 임의의 액체를 포함하는 의미로 사용될 수 있다.

약물 챔버(30)는 주사 장치(10)와 별개로 독립된 구성요소로 구현될 수 있고, 대안적 실시예에서 약물 챔버(30)가 주사 장치(10)의 케이스(11)의 내부 또는 외부에 일체로 결합되어 구성될 수도 있다.

도시한 실시예에서 주사 장치(10)와 약물 챔버(30)는 약물을 공급하는 공급호스(31)에 의해 연결된다. 공급호스(31)는 약물 챔버(30)와 주사 장치(10)의 약물 수용 공간(S)을 연결하며 약물 챔버(30) 내의 약물을 약물 수용 공간(S)으로 공급한다.

약물 챔버(30)의 약물은 예컨대 공급 펌프와 같은 별도의 공급장치(도시 생략)에 의해 공급될 수도 있지만 이러한 공급장치가 없어도 무방하다. 예를 들어, 도시한 실시예의 경우 압전 액추에이터(13)의 팽창에 의해 플런저(14)가 약물 수용 공간(S)의 약물을 가압하여 오리피스(16)로 분사한 후 탄성부재(15)에 의해 플런저(14)가 원래 위치로 복귀하는 동안 약물 챔버(30)의 약물이 공급호스(31)를 통해 약물 수용 공간(S)으로 흡입되어 장전될 수 있다. 이 때 약물이 약물 챔버(30)로 역류하는 것을 방지하기 위해 공급호스(31)의 임의의 위치에 체크 밸브(33)가 설치될 수 있다.

이하에서는 상술한 압전 액추에이터를 이용한 무침 주사 장치의 구체적 일 실시예를 도2 내지 도4를 참조하여 설명하기로 한다.

도2는 제1 실시예에 따른 무침 주사 장치(100)를 나타낸다. 도면을 참조하면 제1 실시예에 따른 무침 주사 장치(100)는 케이스(110), 노즐 어셈블리(120), 압전 액추에이터(130), 플런저(140), 및 노즐(160) 등의 구성요소를 포함한다.

주사 장치의 케이스(110)는 내부에 빈 공간(111)을 갖는 통형상의 부재이다. 일 실시예에서 케이스(110)는 원형의 단면을 가질 수 있지만 대안적으로 삼각형, 사각형 등 다각형의 단면을 가질 수 있다. 케이스(110)의 하단부는 개방되어 있고 이 하단부에 노즐 어셈블리(120)가 결합될 수 있다.

노즐 어셈블리(120)는 케이스(110)의 하부에 결합되고 내부에 약물 수용 공간을 가진다. 노즐 어셈블리(120)의 하부면에는 노즐(160)이 부착된다. 노즐(160)에는 약물이 분사되는 통로인 오리피스(161)가 노즐(160)을 상하 방향으로 관통하며 형성되어 있다.

도시한 실시예에서 노즐 어셈블리(120)의 하부면에 노즐 시트(150)가 탈착 가능하게 부착되고 노즐 시트(150)에 노즐(160)이 결합되어 있으며, 이러한 구성에 의하면 다양한 직경의 오리피스(161)를 갖는 노즐(160)로 교체할 수 있으므로 필요에 따라 약물 주사량을 조절할 수 있는 이점이 있다. 그러나 대안적 실시예에서 노즐 어셈블리(120)에 오리피스(161)가 직접 일체로 형성되어 있을 수도 있다.

노즐 어셈블리(120)의 일 측면에는 약물공급 호스(31)와 연결하기 위한 호스 연결부(170)가 설치된다. 공급호스(도1의 31)의 일단이 호스 연결부(170)에 결합된다. 호스 연결부(170)의 내부 통로가 노즐 어셈블리(120) 내부의 약물 수용 공간과 연통하도록 결합된다.

이와 관련하여 도3은 일 실시예에 따른 호스 연결부(170)를 나타낸다. 도3(a)를 참조하면 호스 연결부(170)는 리셉터클(171), 호스 커넥터(172), 체크밸브 지지대(173), 및 체크밸브(175)로 구성될 수 있다. 공급 호스(31)의 일단이 호스 커넥터(172)에 결합되고, 호스 커넥터(172)가 리셉터클(171)에 끼워져서 노즐 어셈블리(120)에 체결된다. 리셉터클(171)은 체크 밸브(175) 및 체크 밸브(175)를 지지하는 지지대(173)를 사이에 개재하여 노즐 어셈블리(120)에 결합되어 있다.

도3(b)에 도시한 것처럼 일 실시예에서 체크 밸브(175)는 주변부(175a)와 중심부(175b) 및 이를 연결하는 연결다리(175c)로 구성된 디스크 타입의 밸브이다. 체크밸브 지지대(173)는 중앙에 관통부를 갖는 링 형상의 부재이며 체크 밸브(175)의 주변부(175a)가 지지대(173)에 안착되어 결합된다.

다시 도2를 참조하면, 플런저(140)는 케이스(110)의 내부 공간(111)에 배치되되 상방향으로부터 노즐 어셈블리(120)의 약물 수용 공간으로 적어도 부분적으로 삽입되어 상하 방향으로 이동가능 하도록 구성된다.

플런저(140)와 노즐 어셈블리(120) 사이에 스프링과 같은 탄성부재(119)가 개재되어 설치된다. 플런저(140)가 압전 액추에이터(130)의 가압에 의해 하방으로 움직인 후 압전 액추에이터의 가압력이 사라지면 탄성부재(119)의 탄성력에 의해 플런저(140)가 원래 위치로 복귀할 수 있다. 도시한 실시예에서 탄성부재(119)가 코일 스프링으로 구현되었지만 대안적 실시예에서 다른 탄성 구조의 구성요소로 대체될 수 있다.

압전 액추에이터(130)는 케이스(110) 내부 공간(111)에 배치된다. 압전 액추에이터(130)는 하나 이상의 압전소자가 세로로 길게 적층된 기둥 형상이며, 도시한 실시예에서 압전 액추에이터(130)의 상단부와 하단부는 대략 반구형 형상으로 구성된다. 압전 액추에이터(130)의 상단부는 예컨대 고정부재(117)에 의해 케이스(110)의 내부 공간(111)의 상부에 결합되어 고정되고 압전 액추에이터(130)의 하단부는 플런저(140)의 상부면과 접하도록 배치된다. 이 때 플런저(140)의 상부면 중심이 오목한 오목부로 형성되고 압전 액추에이터(130)의 하단부의 반구형 형상이 이 오목부에 안착되도록 하여 압전 액추에이터(130)가 플런저(140)의 상부면에 안정적으로 접할 수 있도록 구성할 수 있다.

압전 액추에이터(130)에 인가하는 전압은 -20볼트 내지 150볼트 사이일 수 있고, 인가하는 전압에 비례하여 압전 액추에이터의 길이가 증가한다. 예를 들어 압전 액추에이터(130)에 150 볼트의 전압을 인가하는 경우 대략 0.1% 정도 길이가 증가할 수 있다. 본 발명의 무침 주사 장치(100)에는 수십 mm 내지 수백 mm 길이의 압전 액추에이터(130)를 사용할 수 있다. 예컨대 도시한 실시예의 경우 60mm 길이의 압전 액추에이터(130)를 사용할 수 있고 이 경우 전압 인가에 의해 대략 60 μm의 스트로크 길이를 가진다. 이 변위 증가에 의해 압전 액추에이터(130)가 플런저(140)에 가하는 힘은 수천 N (예컨대 3000N 내지 7000N)에 이를 수 있다.

또한 압전 액추에이터(130)는 전압 인가시 매우 빠른 속도로 변위 증감이 일어난다. 예컨대 일 실시예에서 압전 액추에이터(130)는 최대 100KHz의 속도로 변위가 증감할 수 있다. 따라서 압전 액추에이터(130)에 임펄스 형태의 전압을 인가하면 그에 따라 임펄스 형태의 압력을 플런저(140)에 가할 수 있다. 임펄스 형태의 가압력을 받은 플런저(140)는 관성력으로 인해 압전 액추에이터(130)의 최대 스트로크 길이보다 더 길게 움직일 수 있으며 이 때 플런저(140)가 움직이는 길이는 탄성부재(119)의 탄성력에 따라 달라진다. 즉 탄성부재(119)의 탄성력을 작게 할수록 압전 액추에이터(130)의 임펄스 형태의 가압력에 의한 플런저(140)의 이동 거리가 더 길어지며, 따라서 압전 액추에이터(130)의 길이, 압전 액추에이터(130)에 인가하는 전압, 및 탄성부재(119)의 탄성계수 등을 조절하여 플런저(140)의 스트로크 길이를 조절할 수 있다.

도4를 참조하여 노즐 어셈블리(120)와 플런저(140)의 예시적 구성을 상술하기로 한다. 도4(a)는 일 실시예에 따른 무침 주사 장치(100)의 노즐 어셈블리(120)와 플런저(140)를 나타내며 도4(b)는 도4(a)의 사각형 점선 영역의 확대도이다.

도2와 도4를 참조하면, 일 실시예에서 노즐 어셈블리(120)의 외주면의 적어도 일부분에 나사산(123)이 형성되고 이 나사산(123)과 접하는 케이스(110)의 내주면의 적어도 일부에도 나사산(123)에 맞물리는 나사산(113)이 형성되며 이에 따라 나사결합 방식으로 노즐 어셈블리(120)를 케이스(110)에 탈착 가능하게 결합할 수 있다. 이 때 노즐 어셈블리(120)를 케이스(110) 내에 소정 깊이만큼 삽입하고 로킹 너트(locking nut)(115)로 고정하여 체결한다.

이 구성에 따르면 노즐 어셈블리(120)를 케이스(110)에 체결하는 깊이를 변경할 수 있으므로 약물 수용 공간의 부피를 조절하여 약물 분사량을 조절할 수 있다. 예를 들어 일 실시예에서 무침 주사 장치(100)는 1회 약물 분사에 의해 대략 0.01 ml 내지 0.2 ml 사이의 약물을 생체에 주입할 수 있으며, 약물의 종류에 따라 노즐 어셈블리(120)의 결합 깊이를 조절하여 1회 분사시 투입하는 양을 적절히 조절할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서 노즐 어셈블리(120)의 하단부에 노즐 시트(150)가 결합되도록 구성된다. 노즐 시트(150)는 중심에 관통구 형성된 디스크 형상일 수 있고 이 관통구에 노즐(160)이 안착되어 결합됨으로써 노즐(160)이 노즐 어셈블리(120)의 하단부에 부착될 수 있다. 이 때 노즐 어셈블리(120)와 노즐 시트(150)의 결합면 또는 노즐 시트(150)와 노즐(160)의 결합면으로 약물이 누설되지 않도록 하나 이상의 오-링(O-ring)(155,156)이 각 결합면에 개재될 수 있다.

노즐(160)은 중심부를 관통하며 오리피스(161)가 형성되고 오리피스(161)를 통해 약물이 분사된다. 일 실시예에서 오리피스(161)의 직경과 길이는 각각 대략 10μm 내지 200μm 일 수 있고 직경과 길이에 따라 1회 분사에 의한 분사량 또는 분사 압력이 달라진다. 이와 관련하여 도5는 오리피스(161) 직경에 따른 압력 및 약물 주입 용량의 관계를 나타내는 실험 결과로서, 가로축은 오리피스(161)의 직경이고 좌측 세로축은 오리피스에서 분사되는 약물의 분사 압력, 우측 세로축은 약물 주입량을 각각 나타낸다.

실험을 위해 직경 15mm, 스트로크 기이 60μm, 및 7000N의 가압력을 갖는 플런저(140)를 사용하였고 오리피스(161)의 길이를 50μm로 일정하게 고정하되 오리피스의 직경을 10μm에서 200μm까지 변화시키면서 실험하였다. 도면의 그래프에 따르면, 오리피스의 직경이 10μm에서 30μm까지 큰 분사압력을 나타내다가 그 이후 압력이 급격히 감소하는 반면 약물 주입량은 오리피스 직경이 30μm될 때까지 급격히 증가한 후 거의 일정하게 유지된다. 따라서 높은 분사압력으로 신속히 약물을 주입하기 위해서는 오리피스의 직경을 20μm 내지 60μm, 바람직하게는 30μm 내지 50μm 사이의 값으로 설계하는 것이 바람직함을 알 수 있다.

또한 이와 같이 약물의 분사압력이나 분사량(주입량)에 따라 오리피스(161)의 직경을 변경해야 할 상황이 발생하므로 본 발명과 같이 노즐(160)을 노즐 어셈블리(120)과 일체형으로 하지 않고 노즐 시트(150)에 부착하여 노즐 어셈블리(120)에 탈착 가능하게 구성하면 1회 약물 분사량이나 원하는 분사 압력에 따라 적절한 크기의 오리피스(161)가 형성된 노즐(160)로 쉽게 변경할 수 있고 노즐(160)을 노즐 어셈블리(120)에서 쉽게 분리하여 점검 및 교체할 수 있다.

다시 도4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에서 플런저(140)가 가장 아래까지 하강하였을 때에도 플런저(140)의 최하단부가 노즐(160)의 상단면(163)에 닿지 않도록 구성한다. 예를 들어 도4(b)에 도시한 것처럼 노즐(160)의 상단면(163)을 오목하게 형성할 수 있고, 플런저(140)의 하부면이 테이퍼 형상으로 되어 있는 경우에도 플런저(140)의 최하단부가 노즐(160)에 접촉하지 않을 수 있다. 노즐(160)과 플런저(140)가 접촉하지 않는 구조이므로 노즐(160)이 플런저(140)의 하중을 받아 밀려나지 않고 노즐에 설치된 오-링(156)에도 충격을 주지 않으므로 노즐(160)과 노즐 시트(150)의 수명을 늘릴 수 있다.

한편 본 발명의 일 실시예에서 플런저(140) 하부면(141)을 아래쪽으로 갈수록 직경이 작아지는 테이퍼 형상으로 구성하고 노즐 어셈블리9120) 내부의 약물 수용 공간의 하부면(121)도 테이퍼 형상으로 구성하되 플런저(140)의 하부면(141)과 노즐 어셈블리(120)의 하부면(121)이 서로 다른 각도로 형성한다. 예를 들어 도4(b)에 도시한 것처럼 플런저(140)의 하부면(141)의 각도가 θ1이고 노즐 어셈블리(120)의 하부면(121)의 각도를 θ2 라고 하면 θ1이 θ2 보다 대략 0.01도 내지 0.02도 작도록 각 테이퍼 면을 형성할 수 있다. 다만 이러한 각도 차이는 예시적인 것이며 구체적 실시 형태에 따라 하부면(121,141)의 각도 차이가 상기 범위보다 크거나 작을 수 있음은 물론이다.

플런저(140)의 하부면(141)이 P1 지점에서 하부면(141) 둘레를 따라 노즐 어셈블리(120)의 하부면(121)과 선접촉하면서 기계적 접촉 밀봉이 이루어진다. 즉 플런저(140)가 최하단까지 하강하여 P1 지점에서 하부면(121)에 접촉했을 때 약물 수용 공간이 접촉영역 위쪽의 제1 공간(S1)과 아래쪽의 제2 공간(S2)으로 분리되고, 이 때 제2 공간(S2), 즉 플런저(140)의 하부면(141)과 노즐(160)의 상부면(163) 사이 공간의 약물은 플런저(140)의 행정이 끝나면서 순간적으로 고압이 형성되어 노즐(160)의 오리피스(161)를 통해 고압으로 압축되어 분사될 수 있다.

특히 위와 같이 플런저(140)의 하부면(141)과 노즐 어셈블리(120)의 하부면(121)이 선접촉하면서 기계적 접촉 밀봉이 가능하도록 구성하고 압전 액추에이터(130)에 고주파의 임펄스 형태의 전압을 인가할 경우 플런저(140)의 스트로크 동작이 끝나면서 순간적으로 고압의 임펄스 압력이 제2 공간(S2) 내의 약물에 가해져서 짧은 순간에 약물의 생체내 주입을 완료할 수 있다.

플런저(140)의 하부면(141)과 노즐 어셈블리(120)의 하부면(121)의 각 형상은 발명의 구체적 실시 형태에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어 도6은 대안적 실시예에 따른 노즐 어셈블리(120) 하부면(122)을 나타낸다. 도시한 실시예에서 노즐 어셈블리(120)의 하부면(122)은 소정 각도의 기울기로 아래쪽으로 갈수록 직경이 작아지다가 P2 지점 이후 더 가파른 기울기로 직경이 작아지는 테이퍼 형상을 가지며, 플런저(140)가 최대로 하강했을 때 P2 지점에서 노즐 어셈블리(120)의 하부면(122)과 선접촉하면서 기계적 밀봉을 형성할 수 있다.

도7은 제2 실시예에 따른 무침 주사 장치(200)를 나타낸다.

도면을 참조하면 제2 실시예에 따른 무침 주사 장치(200)는 케이스(210), 탄성부재(219), 압전 액추에이터(230), 플런저(240), 노즐 시트(250), 노즐(260), 및 호스 연결부(270) 등의 구성요소를 포함한다.

도7의 제2 실시예는 노즐 어셈블리와 일체로 된 케이스(210)를 구비한 점에서 제1 실시예와 상이하다. 즉 도7의 케이스(210)는 도2의 케이스(110)와 노즐 어셈블리(120)가 일체로 된 형태이다. 제2 실시예에서 케이스(210)의 내부 공간에 압전 액추에이터(230)와 플런저(240)가 배치된다.

플런저(240)는 케이스(210) 내에 상하 방향으로 이동 가능하게 배치되어 케이스의 내부 공간을 상부 공간과 하부의 약물 수용 공간으로 구획한다. 압전 액추에이터(230)는 케이스(210)의 상부 공간(211)에 위치하며 일 단부가 플런저(240)의 상부면과 접하도록 배치된다. 케이스(210)의 하단부에는 노즐(260)이 장착된 노즐 시트(250)가 부착되고, 측면에는 호스 연결부(270)가 부착된다. 압전 액추에이터(230), 플런저(240), 노즐 시트(250), 노즐(260), 및 호스 연결부(270)의 각 구성요소는 도2의 제1 실시예 동일 또는 유사하므로 설명을 생략한다.

제2 실시예에서 케이스(210)의 상단부에 조절 볼트(280)가 설치될 수 있다. 조절 볼트(280)의 볼트 헤드(281)는 케이스(210) 외부로 돌출되고 나사산(282)이 형성된 볼트 본체는 케이스(210) 내부 공간(211)으로 돌출되어 압전 액추에이터(230)의 상단부를 직접 또는 간접적으로 가압하여 압전 액추에이터(230)를 고정할 수 있다. 이러한 구성에 의하면 조절 볼트(280)를 회전하여 압전 액추에이터(230)를 상하 방향으로 움직일 수 있어 플런저(240)와 케이스(210) 하부 공간에 의해 정의되는 약물 수용 공간의 부피를 변화하므로 약물 분사량을 조절할 수 있다.

도8은 본 발명의 무침 주사 장치의 효과를 설명하는 도면으로, 도8(a)는 압전 액추에이터를 이용하되 플런저(140)의 스트로크 행정 동안 플런저 하부면이 약물 수용 공간의 하부면에 접촉하지 않도록 했을 때의 동작을 나타내고 도8(b)는 도4(b)와 같이 플런저(140)의 하부면(141)을 테이퍼 형상으로 하고 이 하부면(141)이 노즐 어셈블리(120)의 하부면(121)에 선접촉하면서 기계적 밀봉이 되는 구조의 동작을 나타낸다.

도8의 각 그래프에서 가로축은 시간(s)이고 세로축은 약물의 분사압력(bar), 압전 액추에이터가 가하는 힘(가압력)(N), 및 약물 주입량(ml)을 각각 나타낸다. 도8(a)을 참조하면, 0.1초 시점에서 압전 액추에이터(130)에 임펄스 전압을 인가함에 따라 압전 액추에이터의 가압력이 급격히 증가하여 약 0.1초 가량 지속되고 그 후 감소하며 이에 비례하여 약물 분사 압력도 동일한 모양의 그래프를 나타내고, 이에 따른 약물 주입량은 높은 분사압력이 지속되는 구간 동안 주입량이 점진적으로 증가하여 최종적으로 0.01ml의 약물을 주입하는 것으로 나타났다.

이에 대해 본 발명에 따른 도8(b)의 그래프를 참조하면, 0.1초 시점에서 압전 액추에이터(130)에 임펄스 전압을 인가하면 플런저(140)의 스트로크 동작이 끝날 때 도4(b)에서와 같이 플런저(140)의 하부면(141)과 노즐 어셈블리(120)의 하부면(121)이 선접촉하면서 기계적 접촉 밀봉이 형성되면서 순간적으로 고압의 임펄스 형태의 분사 압력으로 약물이 분사되고 이에 따라 임펄스 형태의 분사 압력이 끝나는 시점(대략 0.15초)에 약물의 생체내 주입이 완료된다. 즉 본 발명에 따르면 약물의 분사 압력을 임펄스 형태로 짧고 강하게 형성하여 짧은 시간 내에 약물을 생채에 주입할 수 있음을 알 수 있다.

이상과 같이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 명세서의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

10, 100, 200: 무침 주사 장치 20: 전원부
30: 약물 챔버 110, 210: 케이스
120: 노즐 어셈블리 130, 230: 압전 액추에이터
140, 240: 플런저 150, 250: 노즐 시트
160, 260: 노즐

Claims

약물을 주입하는 무침 주사 장치로서,
통형상의 주사장치 케이스(110);
약물을 수용하는 약물 수용 공간을 가지며 상기 케이스의 하부에 결합되고 하단부에 노즐이 부착된 노즐 어셈블리(120);
상기 케이스 내에 배치되되 상방향으로부터 상기 노즐 어셈블리의 약물 수용 공간으로 적어도 부분적으로 삽입되어 상하 방향으로 이동가능한 플런저(140); 및
상기 케이스 내부에 설치되며 일 단부가 상기 플런저의 상부면과 접하도록 배치된 압전 액추에이터(130);를 포함하고,
상기 압전 액추에이터에 전원을 인가하면 상기 압전 액추에이터의 길이가 고속으로 소정 변위 증가하여 플런저를 가압함으로써 상기 약물 수용 공간에 수용된 약물을 상기 노즐을 통해 분사하도록 구성된 것을 특징으로 하는 무침 주사 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 플런저의 하부면이 아래쪽으로 갈수록 직경이 작아지는 테이퍼 형상으로 구성되고,
상기 압전 액추에이터에 전원 인가시 압전 액추에이터의 가압에 의해 플런저가 하방으로 움직여서 플런저의 상기 테이퍼 형상의 하부면과 이 하부면을 마주보는 상기 약물 수용 공간의 하부면이 선접촉하도록 구성된 것을 특징으로 하는 무침 주사 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 플런저의 테이퍼 형상의 하부면과 상기 약물 수용 공간의 하부면이 선접촉 했을 때 상기 플런저의 최하단부가 상기 노즐의 상단면에 접촉하지 않도록 구성된 것을 특징으로 하는 무침 주사 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 노즐 어셈블리의 외측 하부면에 탈착가능하게 부착되며 중심에 관통구가 형성된 노즐 시트를 더 포함하고,
상기 노즐이 상기 노즐 시트의 관통구에 안착되어 결합됨으로써 노즐이 상기 노즐 어셈블리에 부착된 것을 특징으로 하는 무침 주사 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 노즐 어셈블리의 외주면의 적어도 일부분 및 이와 접하는 상기 케이스의 내주면의 적어도 일부분에 서로 맞물리는 나사산이 각각 형성됨으로써 상기 노즐 어셈블리가 상기 케이스에 결합된 것을 특징으로 하는 무침 주사 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 압전 액추에이터의 가압에 의해 하방으로 이동된 플런저를 상방으로 복귀시키도록 동작하는 탄성부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무침 주사 장치.
제 1 항에 있어서,
약물을 저장하는 약물 챔버(30);
상기 약물 챔버(30)에서 상기 노즐 어셈블리의 약물 수용 공간으로 약물을 공급하는 공급호스(31); 및
상기 공급호스에 설치되고, 상기 약물 수용 공간의 약물이 상기 약물 챔버측으로 역류하지 않도록 구성된 체크 밸브(33);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무침 주사 장치.
약물을 주입하는 무침 주사 장치로서,
내부 공간을 갖는 통형상이며 하단부에 노즐이 부착된 주사장치 케이스(210);
상기 케이스 내에 배치되어 상기 케이스의 내부 공간을 상부 공간과 하부의 약물 수용 공간으로 구획하며 상하 방향으로 이동가능한 플런저(240);
상기 케이스의 상부 공간에 위치하며 일 단부가 상기 플런저의 상부면과 접하도록 배치된 압전 액추에이터(230);를 포함하고,
상기 압전 액추에이터에 전원을 인가하면 상기 압전 액추에이터의 길이가 고속으로 소정 변위 증가하여 플런저를 가압함으로써 상기 약물 수용 공간에 수용된 약물을 상기 노즐을 통해 분사하도록 구성된 것을 특징으로 하는 무침 주사 장치.
제 8 항에 있어서,
상기 플런저의 하부면이 아래쪽으로 갈수록 직경이 작아지는 테이퍼 형상으로 구성되고,
상기 압전 액추에이터에 전원 인가시 압전 액추에이터의 가압에 의해 플런저가 하방으로 움직여서 플런저의 상기 테이퍼 형상의 하부면과 이 하부면을 마주보는 상기 약물 수용 공간의 하부면이 선접촉하도록 구성된 것을 특징으로 하는 무침 주사 장치.
제 9 항에 있어서,
상기 플런저의 테이퍼 형상의 하부면과 상기 약물 수용 공간의 하부면이 선접촉 했을 때 상기 플런저의 최하단부가 상기 노즐의 상단면에 접촉하지 않도록 구성된 것을 특징으로 하는 무침 주사 장치.
제 8 항에 있어서,
상기 케이스의 외측 하부면에 탈착가능하게 부착되며 중심에 관통구가 형성된 노즐 시트를 더 포함하고,
상기 노즐이 상기 노즐 시트의 관통구에 안착되어 결합됨으로써 노즐이 상기 케이스에 부착된 것을 특징으로 하는 무침 주사 장치.
제 8 항에 있어서,
상기 케이스의 상단부에 돌출하여 배치된 볼트 헤드(281)를 갖는 조절볼트(280)를 더 포함하고,
상기 조절볼트의 하단부는 상기 압전 액추에이터(230)를 직접적 또는 간접적으로 가압하여 압전 액추에이터를 고정하도록 구성되고,
상기 조절볼트를 회전함으로써 상기 압전 액추에이터를 상하 방향으로 움직일 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 무침 주사 장치.
제 8 항에 있어서,
상기 압전 액추에이터의 가압에 의해 하방으로 이동된 플런저를 상방으로 복귀시키도록 동작하는 탄성부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무침 주사 장치.
제 8 항에 있어서,
약물을 저장하는 약물 챔버(30);
상기 약물 챔버(30)에서 상기 약물 수용 공간으로 약물을 공급하는 공급호스(31); 및
상기 공급호스에 설치되고, 상기 약물 수용 공간의 약물이 상기 약물 챔버측으로 역류하지 않도록 구성된 체크 밸브(33);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무침 주사 장치.