KR100876635B1 - 요철 증폭 부재 및 요철 증폭 부재를 이용한 요철 검출방법, 변형 검출 부재 및 변형 검출 부재를 이용한 요철검출 방법, 그리고 요철 위치 표시 장치 및 요철 위치 표시방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 물체의 요철의 검출을 증폭시켜 요철을 표시하기 위한 요철 증폭 부재는 검출 부재와 표시 부재를 포함하여 이루어진다. 상기 검출 부재(101)는 물체 O의 표면과 접촉하여 상기 물체의 표면을 따라 변형시킬 수 있는 가요성 시트를 포함하여 이루어진다. 상기 표시 부재(120)는, 상기 가요성 시트의 표면상에 형성되어 상기 가요성 시트의 두께 방향에 수직인 하나 이상의 방향으로 상기 가요성 시트보다 작은 변형 저항을 가진다. 이러한 구조에 의하면, 물체의 요철이 증폭 및 표시될 수 있다.

내부의 변형을 검출하기 위한 변형 검출 부재는, 응력으로 인해 변형될 수 있는 캡슐, 상기 캡슐 내에 함유된 점성 유체 F, 및 상기 캡슐의 안쪽에 배치되어 상기 점성 유체에 대한 상대 이동을 검출하는 상대 이동 검출 부재를 포함하여 이루어진다. 이러한 구조에 의하면, 요철이나 응력과 같은 물체의 속성이 검출될 수 있다.

Description

요철 증폭 부재 및 요철 증폭 부재를 이용한 요철 검출 방법, 변형 검출 부재 및 변형 검출 부재를 이용한 요철 검출 방법, 그리고 요철 위치 표시 장치 및 요철 위치 표시 방법{CONVEXO CONCAVE AMPLIFYING DEVICE AND CONVEXO CONCAVE DETECTING METHOD BY USE THEREOF, DEFORMATION SENSING DEVICE AND CONVEXO CONCAVE DETECTING METHOD BY USE THEREOF, AND CONVEXO CONCAVE POSITION EXHIBITING DEVICE AND CONVEXO CONCAVE POSITION EXHIBITING METHOD}

본 발명은 강판의 표면과 같은 물체의 요철을 검출하기 위해 사용되는 요철 증폭 부재 및 요철 증폭 부재를 이용한 요철 검출 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 요철과 같은 물체의 성상 및 그 위에 작용하는 응력을 검출하기 위한 센서로서 사용되는 변형 검출 부재 및 변형 검출 부재를 이용한 요철 검출 방법에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 요철이 검출되는 위치를 표시하기 위한 요철 위치 표시 장치 및 요철 위치 표시 방법에 관한 것이다.

이하, 요철 증폭 부재 및 요철 증폭 부재를 이용한 요철 검출 방법, 변형 검출 부재 및 변형 검출 부재를 이용한 요철 검출 방법, 그리고 요철 위치 표시 장치 및 요철 위치 표시 방법의 배경기술을 설명한다.

1. 요철 증폭 부재 및 요철 증폭 부재를 이용한 요철 검출 방법

감각 대행(tactile substitution) 및 인공 현실감의 분야에 있어서, 인간에 대한 인공적 감각을 표시하는 수많은 연구들이 이루어져 왔다. 예를 들어, 감지부와 디스플레이부가 두 면에 배치되어 있는 촉감 표시 시스템이 개발되어 왔다. 인쇄물을 판독하는 광학 센서 및 터치 센서가 감지부로서 이용된다. 디스플레이부에 있어서는, 촉감수용기를 전기적으로 자극함으로써 인공적인 촉감을 표시하는 방법이 채택된다. 따라서, 이러한 촉감 표시 시스템은 사용자가 직접 느낄 수 없는 것의 감각을 표시할 수 있다.

하지만, 감지부와 디스플레이부의 분해능 및 감도는 불충분하다. 또한, 복잡한 메카트로닉스 기술을 이용하는 촉감 표시 시스템은 복잡한 구조로 인하여 고장이 발생하기 쉽다. 따라서, 유지 보수를 위한 많은 시간과 노력이 요구된다. 또한, 감지부 및 디스플레이부는 소형화가 곤란하다.

미국특허 제4657021호 및 제4793354호에는 물체의 요철을 용이하게 검출 또는 감지하기 위한 수단이 개시되어 있다. 상기 검출 수단은 2개의 가요성 시트(flexible sheet) 및 두 시트 사이에 밀봉된 소량의 윤활유로 이루어진 터치 강화 패드(touch enhancing pad)이다. 이 터치 강화 패드 이용시, 한 시트는 대상물의 표면상에 접촉되어 남아 있고, 손가락과 접촉되는 다른 시트는 손가락과 함께 움직이게 된다.

그 결과, 윤활유의 움직임이 대상물과 손가락 끝 사이의 마찰의 영향을 감소시켜, 손가락-끝의 부드러운 움직임에 의해 물체의 요철이 선명하게 검출될 수 있 게 된다. 이러한 터치 강화 패드는 "BSE(Breast Self-Examination) Pad"란 상호로 시판되고 있으며, 흉부 암을 위한 자기검진보조도구로서 FDA에 의해 인가되어 있다.

일반적으로, 손가락의 촉감은 소정의 개재물이 물체의 표면과 손가락 끝 사이에 개재되어 있는 상태에서는 무뎌질 수 있다. 상기 패드는, 복잡한 메카트로닉스 기술을 이용하지 않고도, 물체의 요철을 선명하게 검출할 수 있다. 하지만, 작거나 미세한 요철은 검출하기 곤란하고, 물체의 요철을 검출하기 위한 도구로서 광범위하게 쓰이지도 않는다. 또한, 윤활유가 두 시트 사이에 밀봉되어 있는 간단한 구조를 가지지만, 시트의 손상에 의해 윤활유가 샐 수도 있다.

물체의 요철을 검출하기 위한 기술은 여러 분야에서 필요하다. 요철 검출 방법에 있어서, 대상물(물체의 표면)은 예컨대 다이얼로그식 센서(접촉식)를 접촉하여, 또는 화상처리(비접촉식)에 의해 검사되어 왔다. 하지만, 전자의 방식은 물체의 광범위한 검사에 적합하지 않다. 후자의 방식은 물체의 표면상에 존재하는 광택 및 얼룩으로 인하여 검출된 결과가 소산되는 문제점이 발생한다. 또한, 두 방식은 모두 고비용의 장치 및 설치에 많은 시간을 필요로 한다.

그러므로, 실제의 제조 공정, 예컨대 자동차 생산 공정에서의 강판의 변형 검사에서는, 숙련공들이 손으로 요철을 검출한다. 하지만, 숙련 정도의 차이로 인하여 검출 결과에서도 차이가 발생한다. 또한, 작업자가 요철을 검출하는 숙련된 기술을 얻기 위해서는 긴 시간이 필요하다. 이러한 이유로 해서, 저렴하게 수행될 수 있으면서도 용이하게 요철을 검출할 수 있는 검출 방법이 요구되어 왔다.

2. 변형 검출 부재 및 변형 검출 부재를 이용한 요철 검출 방법

요즘에는, 극도로 낮은 출생률, 고령화 및 의학 치료와 같은 여러 사회 문제들이 있다. 미래에는 복지 서비스를 지원하는 사람의 수와 인프라가 점점 줄어들 것이다. 이러한 이유로, 인간과 동일한 방식으로 움직이고 반응하는 인간형 로봇(휴머노이드)이 우리 사회에 필요하게 될 수 있다. 사람을 해치지 않게 하기 위해서는, 인간형 로봇을 연성재료로 만들어진 인공적인 피부로 덮어야 한다. 또한, 인공적인 피부는 인간의 피부와 동등한 촉감기능, 예를 들면 물체의 성상 및 물체와의 접촉을 감지하는 기능들을 가져야만 한다.

이러한 기능을 실현하기 위하여, 변형 게이지(strain gauge) 또는 PVDF (polyvinylidene fluoride) 센서와 같은 변형 검출 소자가 고무 등과 같은 가요성 재료에 매입된 인공피부가 개발되어 사용되어 왔다. 하지만, 불량 또는 적은 탄성 및 유연성으로 인하여, 가요성 재료 내에 배치된 변형 검출 소자는 그 응력집중에 의해 파손될 수도 있다. 변형 검출 소자 및 가요성 재료는 벗겨질 수도 있고, 또는 가요성 재료가 파열될 수도 있다. 또한, 변형 게이지 또는 PVDF 센서는 검출 범위가 제한되기 때문에, 가요성 재료와 결합된 그것들을 사용하기가 어렵다.

법선 방향으로 작용하는 응력을 감지할 수 있는 압력 감지 고무를 이용하는 촉감 시트가 공지되어 있다. 하지만, 접선 방향으로 작용하는 응력(전단 응력)은 감지할 수 없다.

예를 들어, 하중 검출부 및 압력 수용판을 포함하여 이루어지는 차폐 굴착기(shield excavator)의 외력 측정 장치가 미심사된 일본특허공보 제H05-5397호에 개시되어 있다. 하중 검출부의 일단부는 오목부의 저부판에 고정되고, 상기 하중 검출부 상에는 변형 게이지가 장착되어 있다. 상기 압력 수용판은 상기 하중 검출부의 타단부에 고정되어 있다.

상기 외력 측정 장치에서는, 압력 수용판에 의해 수용되는 외력이 측정될 하중 검출부의 변형 게이지로 전달된다. 하지만, 하중 검출부의 양쪽 단부들이 고정되어 있다면, 상기 하중 검출부가 크게 왜곡됨으로써 변형 게이지가 파손될 가능성이 있다. 이러한 이유로, 상기 제H05-5397호의 구조를 가요성 재료에 적용하는 것은 변형 게이지의 파손을 극복할 수 없다. 하중 검출부의 보다 큰 변형은 변형 게이지의 검출 범위를 능가할 수도 있다.

3. 요철 위치 표시 장치 및 요철 위치 표시 방법

상술된 바와 같이, 실제 제조 공정에서는, 숙련된 작업자가 표면상의 요철을 검출한다. 요철을 용이하게 검출하여 요철의 위치를 쉽게 찾아내는 방법이 요구되어 왔다.

여러 센서에 의해 물체의 표면 정보, 예컨대 강판의 표면상의 볼 수 없는 요철을 검출한 결과를 표시하는 것에 있어서는, 검출 부재에 의해 표면 정보를 감지한 화상-처리된 결과를 디스플레이하는 것이 일반적이다(미심사된 일본특허공보 제2001-153811호 참조).

하지만, 검출 부재에 의해 검출면 정보를 디스플레이하여 검출된 위치를 표시하기 위해서는, 자기센서, 수동연결시스템, CCD 카메라 등을 이용하여, 상기 검출 부재가 검출하고 있는 위치가 검출되어야만 한다. 그러므로, 상기 검출 장치는 커지게 되고, 큰 설치공간이 필요하며, 이송에 어려움이 있다.

디스플레이 대신에, 센서가 소정의 상태에 대한 정보를 검출하였다고 표시하기 위해 음향이 사용될 수도 있다. 하지만, 물체의 표면이 시간에 따라 광범위하게 감지되는 경우에는 음향이 울린 순간에 검출된 위치를 찾는 것이 어렵다.

1. 요철 증폭 부재 및 요철 증폭 부재를 이용한 요철 검출 방법

위와 같은 상황들을 고려하여, 본 발명은 간단한 구조를 갖고 물체의 요철의 검출을 증폭시켜 요철을 표시할 수 있는 요철 증폭 부재를 제공하고자 한다. 또한, 상기 요철 증폭 부재를 이용하여 물체의 요철을 검출하는 요철 검출 방법도 제공하고자 한다.

본 발명에 따른 물체의 요철의 검출을 증폭시켜 요철을 표시하기 위한 요철 증폭 부재는, 상기 물체의 표면과 접촉하여 상기 물체의 표면을 따라 변형시킬 수 있는 가요성 시트를 포함하여 이루어지는 검출 부재; 및 상기 가요성 시트의 표면상에 형성되고, 상기 가요성 시트의 두께 방향에 수직인 하나 이상의 방향으로 상기 가요성 시트보다 작은 변형 저항을 가지는 표시 부재를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이러한 구조에 따르면, 상기 요철 증폭 부재는, 표시 부재가 시트 부재에 의해 검출되는 물체의 요철의 검출을 정확하게 증폭함으로써 상기 요철을 표시할 수 있다. 복잡한 메카트로닉스 기술을 사용하지 않고도, 상기 요철 증폭 부재는 검출 부재와 표시 부재를 포함하여 이루어지는 간단한 구조를 가져, 고장이나 파손이 거의 발생하지 않고 비용도 줄이게 된다.

상기 표시 부재는 상기 가요성 시트의 표면상에 서로 이격되어 형성된 복수의 돌출부를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다. 이러한 구조에 따르면, 상기 표시 부재는 요철의 검출을 효과적으로 증폭시켜 요철을 표시할 수 있게 된다. 상기 돌출부들은 서로 평행한 판상체이거나 또는 소정의 간격으로 배치되는 주상체인 것이 바람직하다. 상기 돌출부들은 가요성 시트의 두께 방향에 수직인 방향으로 상기 가요성 부재보다 작은 변형 저항을 가지는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 물체의 요철을 검출하기 위한 요철 검출 방법은, 가요성 시트를 포함하여 이루어지는 검출 부재 및 상기 가요성 시트의 표면상에 형성되어 상기 가요성 시트의 두께 방향에 수직인 하나 이상의 방향으로 상기 가요성 시트보다 작은 변형 저항을 가지는 표시 부재를 포함하여 이루어지는 요철 증폭 부재를 이용하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 공정은, 상기 검출 부재를 상기 물체의 표면과 접촉시키고, 상기 물체의 표면을 따라 상기 검출 부재의 가요성 시트를 변형시키는 접촉 단계, 및 상기 접촉 단계에서 발생되는 상기 표시 부재의 변형을 검출하여 상기 요철을 검출하는 검출 단계를 포함하여 이루어진다.

이러한 요철 검출 방법에 따르면, 상기 접촉 단계와 상기 검출 단계를 통해 요철의 검출을 증폭시켜 요철이 쉽게 검출될 수 있다. 상기 표시 부재의 변형은, 상기 검출 부재가 물체의 표면을 따라 변형된 상태에서 검출되기 때문에, 요철의 증폭된 정보가 정확하게 표시될 수 있다.

상기 요철 검출 방법의 공정에 있어서, 상기 접촉 단계는, 유연성을 갖는 표면부 및 요철이 표면부로 커버된 요철부를 포함하여 이루어지는, 물체의 표면상으로 가요성 시트를 가압하고, 상기 물체의 표면을 따라 가요성 시트를 변형시키는 단계일 수도 있다. 또한, 상기 검출 단계는, 요철부의 요철을 검출하는 단계일 수도 있다. 상기 물체의 요철은 유연성을 갖는 표면부 및 요철이 표면부로 커버된 요철부를 포함하여 이루어질 뿐만 아니라, 그 표면상에 요철이 있는 물체는 상기 물체의 표면상으로 가요성 시트를 가압하고 상기 접촉 단계에서 물체의 표면을 따라 가요성 시트를 변형시켜 검출될 수도 있다.

물체의 표면과 접촉되는 상기 요철 증폭 부재는 상기 접촉 단계에서 슬라이딩하여, 상기 표시 부재의 변형량이 시간변화에 따라 발생되는 것이 바람직하고, 상기 표시 부재의 변형의 시간 종속량의 변량은 상기 검출 단계에서 촉감으로 검출되는 것이 바람직하다. 상기 공정에 따르면, 상기 표시 부재의 변형이 촉감에 의해 검출될 수 있기 때문에, 검사자가 요철을 예민하게 인식할 수 있다.

2. 변형 검출 부재 및 변형 검출 부재를 이용한 요철 검출 방법

위와 같은 상황들을 고려하여, 본 발명은 간단한 구조 및 큰 변형에 대한 파손-방지 구조를 갖는 변형 검출 부재를 제공하고자 한다. 또한, 상기 변형 검출 부재를 이용하여 물체의 요철을 검출하는 요철 검출 방법도 제공하고자 한다.

본 발명에 따른 변형을 검출하기 위한 변형 검출 부재는, 응력으로 변형 가능한 캡슐(capsule), 상기 캡슐 내에 함유된 점성 유체(viscous fluid), 및 상기 캡슐의 안쪽에 배치되고 상기 점성 유체에 대한 상대 이동을 검출하는 상대 이동 검출 부재를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 상대 이동 검출 부재는 상기 캡슐의 내측면으로부터 안쪽으로 돌출되는 것이 바람직하다. 상기 상대 이동 검출 부재는 캡슐 변형에 따라 발생되는 캡슐과 점성 유체 사이의 상대 이동을 검출하기 때문에, 상기 캡슐의 변형이 상기 상대 이동 검출 부재로 직접 전달되지 않는다. 상기 상대 이동 검출 부재는, 캡슐이 크게 변형되더라도 변형되기 어렵기 때문에, 상기 상대 이동 검출 부재가 파손되기 어렵다.

본 발명의 변형 검출 부재는, 법선 방향으로 작용하는 응력뿐만 아니라, 접선 방향으로 작용하는 응력도 검출할 수 있다. 요철 및 직물과 같은 성상이 검출될 수 있다. 상기 상대 이동 검출 부재는 변형 검출 소자를 포함하여 이루어지고, 상기 변형 검출 소자는 변형 게이지 또는 PVDF 센서인 것이 바람직하다. 상기 상대 이동 검출 부재는 상기 점성 유체의 움직임에 의해 왜곡되는 판상체를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하고, 상기 변형 검출 소자는 상기 판상체 상에 배치되는 것이 바람직하다.

상기 상대 이동 검출 부재는 크게 변형되기 어려우므로, 상기 변형 검출 소자는 상기 변형 검출 소자가 판상체 상에 배치되는 경우에도 파손되는 것을 방지할 수 있다.

본 발명에 따른 물체의 요철을 검출하기 위한 요철 검출 방법은, 점성 유체를 내부에 함유하고 응력으로 변형 가능한 캡슐 및 상기 캡슐의 안쪽에 배치되어 상기 점성 유체에 대한 상대 이동을 검출하는 상대 이동 검출 부재를 포함하여 이루어지는 변형 검출 부재를 이용하는 공정을 포함하되, 상기 공정은, 상기 변형 검출 부재가 상기 물체의 표면과 접촉하게 되는 상태에 따라, 상기 변형 검출 부재와 상기 물체가 상대적으로 이동되는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 변형 검출 부재를 이용한 요철 검출 방법에 따르면, 상기 변형 검출 부재는, 물체의 표면과 접촉되는 변형 검출 부재가 슬라이딩하고 상기 변형 검출 부재 및 상기 물체가 상대적으로 이동하는 방식에 의하여, 요철이 물체의 표면상에 존재하는 위치에서 변형될 수 있다. 따라서, 변형 검출 부재는 캡슐과 요철의 변형을 검출한다.

3. 요철 위치 표시 장치 및 요철 위치 표시 방법

위와 같은 배경기술 상황들을 고려하여, 본 발명은 간단한 구조를 갖고, 요철이 검출되는 위치를 표시할 수 있는 요철 위치 표시 장치 및 상기 요철 위치 표시 장치를 이용한 요철 위치 표시 방법도 제공하고자 한다.

본 발명에 따른 요철 위치 표시 장치는, 검출 표시 부재(sensing-and-exhibiting member) 및 제어 부재를 포함하여 이루어진다. 상기 검출 표시 부재는, 물체의 요철에 의해 야기된 변형을 검출하는 복수의 변형 검출 부재를 포함하여 이루어지는 검출부, 및 복수의 발광체를 포함하여 이루어지고 상기 검출부에 대향하여 위치하는 표시부를 포함하여 이루어진다. 상기 발광체를 제어하는 제어 부재는, 상기 변형 검출 부재에 의한 검출 결과에 따라 발광시킨다.

본 발명에 따른 요철 위치 표시 장치에 따르면, 비가시적 요철의 위치가 발광체의 발광에 의해 물체의 표면상에서 용이하게 인식될 수 있다. 이는 검출 표시 부재 및 제어 부재를 포함하여 이루어지는 간단한 구조를 가진다. 상기 표시부는 검출부에 대향하여 위치하기 때문에, 상기 변형 검출 부재의 위치가 측정될 필요가 없게 된다.

상기 검출 표시 부재는 손에 장착할 수 있는 백(bag)의 형상을 가지고, 상기 검출부는 상기 손의 손바닥 쪽에서 작동 가능하며, 상기 표시부는 상기 손의 손등 쪽에서 작동 가능한 것을 특징으로 한다. 상기 백-형상의 검출 표시 부재는 손에 장착하기가 적합하고, 조작이 간편하며, 휴대하기가 편리하다.

본 발명에 따른 물체의 요철의 위치를 표시하기 위한 요철 위치 표시 방법은, 변형 검출 부재가 물체의 표면과 접촉된 상태에서, 상기 변형 검출 부재와 상기 물체가 상대적으로 이동되는 상대 이동 단계, 상기 물체의 요철에 의해 야기된 변형을 검출하는 상기 변형 검출 부재에 의해 요철을 검출하는 검출 단계, 및 상기 검출 단계에서의 검출 결과에 따라, 발광에 의해 상기 요철의 위치를 시간-종속적으로 표시하는 표시 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 요철 위치 표시 방법에 따르면, 비가시적 요철의 위치가 발광체의 발광에 의해 물체의 표면상에서 용이하게 인식될 수 있다. 요철의 위치는 검출 단계에서의 검출 결과에 따라 발광에 의해 시간-종속적으로 표시되기 때문에, 상기 상대 이동 단계에서의 변형 검출 부재와 물체 간의 상대 이동이 연장방향으로 가능하게 된다.

상기 물체의 표면과 접촉되는 상기 변형 검출 부재는 상기 상대 이동 단계에서 슬라이딩되는 것이 바람직하다. 상기 요철 위치 표시 장치가 물체의 표면상에서 고속으로 슬라이딩하는 경우에도, 복수의 발광체는 변형이 검출되는 위치에서 차례로 발광할 수 있다. 요철이 검출되는 위치는 광의 잔상으로 망막에 남기 때문에, 상기 위치가 물체의 표면상에서 정확하게 인식될 수 있다.

상기 표시 단계는, 요철이 존재하는 위치에서 발광하여 상기 물체의 표면상에 상기 요철의 위치를 표시하는 단계가 바람직하다. 상기 요철의 위치는 요철이 존재하는 위치에서 발광하는 방식으로 정확하게 인식된다.

도 1의 (a)는 종래의 시트가 물체의 볼록면과 접촉할 때 발생하는 탄성(신축)을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 1의 (b)는 종래의 시트가 물체의 오목면과 접촉할 때 발생하는 탄성을 도시한 도면;

도 2는 본 발명의 요철 증폭 부재가 평탄면(점선으로 도시됨) 및 경사면(실선으로 도시됨)과 접촉될 때 검출 부재와 표시 부재의 변형을 개략적으로 도시한 도면;

도 3의 (I)는 도 3의 (II)의 V-V' 선을 따른 확대단면도이고, 도 3의 (II)는 도 3의 (I)의 W-W' 선을 따른 확대단면도;

도 4는 본 발명의 변형 검출 부재의 일례를 개략적으로 도시한 사시도;

도 5의 (a) 내지 도 5의 (d)는 변형 검출 부재의 구체적인 상대 이동 검출 부재를 도시한 사시도;

도 6의 (I) 내지 도 6의 (III)은 시간 경과에 따라 Wb 방향으로 전단력을 수 용하는 변형 검출 부재의 변형 변량을 도시한 도면;

도 7의 (I) 내지 도 7의 (III)은 시간 경과에 따라 We 방향으로 전단력을 수용하는 변형 검출 부재의 변형 변량을 도시한 도면;

도 8은 전단 응력이 변형 검출 부재에 인가될 때 전단력의 변량과 시간의 경과 간의 관계를 도시한 도면(상부 도면), 및 전단 응력이 변형 검출 부재에 인가될 때 점성 저항(저항력)과 시간의 경과 간의 관계를 도시한 도면(하부 도면);

도 9는 도 4의 변형 검출 부재가 요철을 검출하기 위해 물체 위를 지나갈 때 시간의 경과에 따른 변형 변량을 도시한 도면(상중하 도면);

도 10은 손등(좌측 도면) 및 손바닥(우측 도면)에서 본, 본 발명의 요철 위치 표시 장치의 일례를 도시한 평면도;

도 11은 요철 위치 표시 장치에 의한 요철 위치 표시 방법을 도시한 예시도;

도 12는 제1실시예의 전체 요철 증폭 부재를 도시한 개념도;

도 13은 도 12의 요철 증폭 부재의 확대평면도;

도 14는 도 13의 X-X' 선을 따른 단면도;

도 15는 제1실시예의 요철 증폭 부재에 의해 물체의 요철을 검출하기 위한 검출방식을 부분적으로 도시한 도면;

도 16은 제2실시예의 변형 검출 부재의 사시도;

도 17은 도 16의 Z-Z' 선을 따른 단면도(상부 도면), 및 도 16의 Y-Y' 선을 따른 단면도(하부 도면);

도 18은 제2실시예의 변형 검출 부재에 사용된 제어 시스템을 설명하기 위한 예시도;

도 19는 제1검출예 및 제2검출예의 검출시험을 도시한 예시도;

도 20은 제1검출예에서 변형 게이지에 발생된 시간의 경과에 따른 변형의 변량을 도시한 그래프; 및

도 21은 제2검출예에서 변형 게이지에 발생된 시간의 경과에 따른 변형의 변량을 도시한 그래프이다.

이하, 본 발명의 요철 증폭 부재 및 요철 검출 방법의 최적예들을 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한다. 또한, 본 발명의 변형 검출 부재 및 상기 변형 검출 부재를 이용한 요철 검출 방법의 최적예를 도 4 내지 도 9를 참조하여 설명한다.

또한, 본 발명의 요철 위치 표시 장치 및 요철 위치 표시 방법의 최적예를 도 10 및 도 11을 참조하여 설명한다.

1. 요철 증폭 부재 및 요철 증폭 부재를 이용한 요철 검출 방법

본 발명의 요철 증폭 부재는 물체의 요철을 검출하여 증폭에 의해 그것을 표시하게 된다. 일정한 조성과 일정한 두께를 갖는 시트의 일 면(예컨대, 하부면)이 물체의 표면과 접촉하는 경우, 상기 시트는 물체의 요철을 따라 변형 또는 편향(deflect)된다. 이러한 편향이 있으면, 시트의 상부 및 하부면에서는 신장과 수축이 발생한다. 구체적으로는, 도 1에 개략적으로 도시된 바와 같이, 시트(110)가 물체의 볼록면에 기계적으로 (접촉하여) 적용되는 경우, 하부면(110d)에서는 수축되면서 상부면(110u)에서는 신장된다(도 1의 (a) 참조). 시트(110)가 기계적으로 오목면과 접촉하는 경우에는, 반대 현상이 일어난다(도 1의 (b) 참조).

두 가지 경우에, 시트(110)에는 신장 및 수축하고 있지 않은 중간 또는 중립 표면 M이 존재한다. 시트의 상부면이 중간면 M에서 멀어짐에 따라, 즉 시트의 두께가 더욱 두꺼워지면, 시트의 상부면의 신축량이 더욱 커지게 된다. 따라서, 증폭에 의해 상부면 상에서 검출되는 요철을 표시하기 위해서는, 시트의 상부면의 변형량이 더욱 커지도록 상기 시트의 두께가 증가되는 것이 바람직하다.

하지만, 등방성이면서 일정한 두께를 가지는 일반적인 시트에서는, 시트의 두께가 증가되면 가요성이 저하된다(굽힘 강성은 두께의 세제곱에 비례함). 이러한 이유로, 시트의 하부면에서 물체 표면(물체의 표면)과 기계적으로 접촉하기 어려운 보다 두꺼운 시트는 물체 요철(물체의 요철)을 정확하게 검출할 수 없다. 만일 탄성률이 보다 낮은 시트가 사용된다면, 인가되는 가압력에 의해 두께 방향으로 압축된다. 따라서, 하부면에 의해 검출되는 요철이 상부면으로 전달되기 어렵다.

상기의 관점에서, 본 발명의 요철 증폭 부재는 검출 부재 및 표시 부재로 이루어진다. 상기 검출 부재는 물체의 표면과 접촉하여 상기 물체의 표면을 따라 변형될 수 있는 가요성 시트로 이루어져 있다. 상기 표시 부재는 가요성 시트의 표면상에 형성되어 있다. 상기 표시 부재의 변형 저항은 가요성 시트의 두께 방향(연장 또는 확장 방향)에 수직인 하나 이상의 방향으로 상기 가요성 시트의 변형 저항보다 작다.

요철 증폭 부재를 구성하고 있는 검출 부재의 일 면(이하, 간단히 "검출 부재의 하부면"이라 함)이 물체와 기계적으로 접촉하는 경우, 그 가요성으로 인하여 물체의 표면에 따라 변형된다. 상기 검출 부재의 타 면(이하, 간단히 "검출 부재의 상부면"이라 함) 상의 표시 부재 또한 변형된다.

확장 방향으로 상기 표시 부재의 하나 이상의 방향으로의 변형 저항은 동일한 방향으로의 검출 부재의 변형 저항보다 작다. 따라서, 상기 검출 부재의 가요성은, 요철 증폭 부재의 두께가 전체로서 큰 경우에도 저하되지 아니한다. 그 결과, 상기 표시 부재는 증폭에 의해 검출되는 물체의 요철을 효과적으로 표시할 수 있다. 이하, 전술한 원칙에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.

도 2에는, 요철 증폭 부재가 2차원 공간에 개략적으로 도시되어 있다. 이는 검출 부재(111) 및 상기 검출 부재(111) 상에 형성된 표시 부재(121)로 이루어진다. 상기 검출 부재(111)의 확장 방향으로의 표시 부재(121)의 변형 저항은 작다. 상기 표시 부재(121)는 두께 방향(도 2의 상하 방향)으로 연장되어 있고, 확장 방향(도 2의 횡 방향)으로 등거리로 분리되어 있는 복수의 핀형 돌출부(126)를 포함한다. 부언하면, 상기 표시 부재(121)의 횡방향으로의 변형 저항은 상기 검출 부재(111)의 동일한 방향으로의 변형 저항보다 작다.

도 2에는, 평탄(표준)면 상에 놓인 요철 증폭 부재가 점선으로 도시되어 있는 한편, 경사면(경사각 : θ) 상에 놓인 요철 증폭 부재는 실선으로 도시되어 있다. 요철 증폭 부재가 경사면 상에 놓인 경우에는, 표시 부재(121)의 돌출부(126)들이 상기 표준면의 법선 방향 및 접선 방향으로 변형되거나 기울어진다.

중립면 M이 검출 부재(111)에 존재하고 상기 검출 부재(111)의 두께가 극히 얇다고 가정하면, 상기 돌출부(126)들의 접선 방향으로의 변형 또는 경사는, 경사 면 Ob의 경사각 θ과 요철 증폭 부재의 두께 T의 곱에 비례한다. 여기서, 두께 T는 검출 부재(111)의 두께와 돌출부(126)들의 길이의 합이다. 돌출부(126)들의 법선 방향으로의 경사는 경사면 Ob의 높이 H와 같다.

요약하면, 검출 부재 및 표시 부재로 이루어진 본 발명의 요철 증폭 부재에 의하여, 보다 두껍거나 보다 긴 표시 부재가 증폭될 수 있고, 상기 검출 부재에 의해 검출되는 물체의 요철을 정확하게 표시할 수 있다.

요철 증폭 부재에 있어서, 확장 방향으로 상기 표시 부재의 하나 이상의 방향으로의 변형 저항은 상기 검출 부재의 동일한 방향으로의 변형 저항보다 작다. 신장이나 수축이 일어나지 않는 중간면 M은 표시 부재의 표면으로부터 떨어져 위치한다. 이러한 이유로, 상기 검출 부재에 의해 검출되는 물체의 요철은 그 표면상에 표시될 표시 부재에 의해 효과적으로 증폭될 수 있다.

또한, 상기 구조에 의하면, 중간면 M으로부터 표시 부재의 표면까지의 두께나 길이가 보다 크게 선택되더라도, 검출 부재의 가요성이 감소하지 않고, 상기 표시 부재의 증폭 효과가 증가한다.

검출 부재의 두께를 보다 얇게 선택하고 표시 부재의 길이를 보다 길게 선택함으로써, 물체의 요철을 효과적으로 검출하고, 증폭하며 검출된 요철을 표시하기에 편리한 요철 증폭 부재가 얻어질 수 있다. 예를 들어, 검출 부재의 두께와 표시 부재의 길이 간의 비는 1:10 내지 1:100 범위에 있을 수 있다.

(i) 검출 부재

본 발명의 요철 증폭 부재에 있어서, 검출 부재는 물체의 표면을 따라 이어 져(추적하여) 변형되는 가요성을 가진다. 이는 검출 부재의 하부면이 물체의 표면과 접촉(터치)되거나, 또는 물체의 표면상으로 가압되기 때문이다. 상기 검출 부재의 바람직한 탄성률은 500 내지 3000MPa 범위에 있고, 보다 바람직하게는 1500 내지 2500MPa 범위에 있다. 이러한 탄성률을 실현하기 위하여, 상기 검출 부재는 PET(polyethyleneterephthalate), 폴리아세탈 또는 폴리카보네이트와 같은 수지로 만들어질 수 있다. 상기 검출 부재의 바람직한 두께는 탄성률에 따라 0.05 내지 0.5mm 범위이다.

검출 부재의 탄성률 및 두께가 상기 범위에서 선택된 요철 증폭 부재는 그 일 면에서 상기 물체의 표면에 따라 쉽게 변형될 수 있다. 따라서, 상기 요철 증폭 부재는 물체의 요철을 검출하는데 효과적으로 사용된다. 검출 부재의 두께 방향으로의 작은 신장 및 수축으로 인하여, 상기 검출 부재는 물체의 요철의 공간적인 정보를 보유하여, 두께 방향으로의 정보로서 전달할 수 있다.

검출 부재의 재료를 선택할 때, 그 하부면과 물체의 표면 간의 마찰을 고려하는 것이 바람직하다. 물체의 표면상에서 요철 증폭 부재의 원활하면서도 용이한 슬라이딩을 얻기 위해서는 작은 마찰이 바람직하다(후술함). 만일 검출 부재의 재료가 마찰을 증가시킨다면, 마찰을 줄일 수 있지만 검출 부재의 가요성을 떨어뜨리지 않는 또다른 부재가 상기 검출 부재의 하부면 상에 부가될 수 있다. 이러한 부가된 부재로는, 검출 부재의 재료와 상이한 재료로 만들어진 필름 또는 테이프가 채택될 수 있다.

(ii) 표시 부재

본 발명의 요철 증폭 부재의 표시 부재는 물체와 접촉하고 있는 검출 부재의 일 면(예컨대, 하부면)에 대향하는 타 면(예컨대, 상부면)으로 형성되어 있다. 이는 검출 부재와 일체형으로 형성될 수도 있다.

상기 표시 부재는 상기 가요성 시트의 두께 방향에 수직인 하나 이상의 방향으로의 가요성 시트의 변형 저항보다 작은 변형 저항을 가진다. 검출 부재의 가요성을 감소시키지 않는 표시 부재의 재료 및 형상이 선택되는 것이 바람직하다. 상기 표시 부재는, 표시 부재의 표면이 요철 증폭 부재의 두께 방향으로 압축될 때, 신장 및 수축을 발생시키지 않는 강성을 가진다.

표시 부재의 재료로는, 변형 저항이 변형방향에 따라 다른 이방성 재료가 채택되는 것이 바람직하다. 강화된 섬유 플라스틱과 고기능 수지를 예로 들 수 있다. 표시 부재의 단층 구조 이외에도(상기 요철 증폭 부재는 검출 부재 및 표시 부재의 이중 구조를 가짐), 상기 표시 부재는 복층 구조를 가질 수도 있다. 이러한 표시 부재에 있어서, 변형 저항의 방향과 값이 검출 부재와 상이한 변형 저항을 갖는 복수의 층들이 채택될 수 있다. 또한, 변형 저항의 방향 및 값이 일 면으로부터 타 면으로 점진적으로 변할 수도 있다. 이러한 경우에는, 표시 부재의 전방면에서의 변형 저항을 더욱 작게 선택하는 것이 바람직하다.

상기 표시 부재는 발포체(foam) 및 복수의 구멍이 제공된 시트로 만들어질 수 있다. 도 3에 개략적으로 도시된 요철 증폭 부재에서는, 표시 부재가 복수의 구멍들이 그 두께 방향으로 연장되어 있는 시트로 구성되어 있다. 상기 요철 증폭 부재는 검출 부재(113) 및 상기 시트로 구성된 표시 부재(130)로 이루어진다. 그들은 수지 재료에 의해 일체형으로 구성된다. 상기 표시 부재(130)에는 상부면으로부터 수직으로 연장되는 막혀 있는 복수의 수직 구멍(103)이 제공되어 있다.

상기 수직 구멍(103)은, 검출 부재의 확장 방향으로의 표시 부재(130)의 변형 저항을 상기 검출 부재(113)의 동일한 방향으로의 변형 저항보다 작게 만든다. 별도로 형성된 검출 부재(113) 및 표시 부재(130)는 서로 일체형으로 고정될 수 있다. 상기 구멍들은 검출 부재의 두께 방향에 대하여 소정의 각도를 이루도록 하는 방향으로 형성될 수 있다.

상기 표시 부재는 서로 이격된 복수의 돌출부들로 이루어지고, 가요성 시트의 표면상에 형성되는 것이 바람직하다. 상기 표시 부재는, 돌출부들의 선단부(표시 부재의 표면)들이 가압되더라도, 그 길이 방향으로 신장되거나 수축되지 않고, 상기 검출 부재에 대한 돌출부들의 각도를 일정하게 유지시키는 강성을 가지는 것이 바람직하다. 상기 돌출부들을 소정의 각도로 기울임으로써, 돌출부들의 선단부들은 소정량만큼 변위 또는 시프트되어, 상기 검출 부재에 의해 검출되는 물체의 요철을 증폭 및 표시하게 된다.

상기 돌출부들의 바람직한 탄성률은 1500 내지 5000MPa 범위에 있고, 2000 내지 4000MPa가 더욱 바람직하다. 이러한 값의 탄성률을 실현하기 위하여, 상기 돌출부들은 PET, 폴리아세탈, 폴리카보네이트 및 아크릴 등과 같은 수지 및 알루미늄 등과 같은 금속으로 만들어질 수 있다. 이러한 범위의 탄성률을 갖는 돌출부들은 검출 부재의 가요성을 저하시키지 않는다.

상기 돌출부들의 형상에 대해서는 어떠한 제한도 없다. 원뿔 형상과 피라미 드 형상, 기둥 형상과 원통 형상, 및 판 형상과 보풀(napping) 형상이 요철 증폭 효과를 표시할 수 있다. 돌출부의 선단부는 샤프한 형상, 평탄한 형상 및 만곡된 형상을 가질 수 있다. 돌출부가 원뿔 형상이나 기둥 형상을 가지는 경우에는, 반구형 선단부가 바람직하다.

상기 돌출부들의 형태에 대해서는 어떠한 제한도 없다. 그들은 임의로 배치될 수도 있지만, 상기 돌출부를 2차원 공간에 소정의 간격으로 배치하는 것이 바람직하다. 돌출부들의 형상 및 크기의 관점에서 보면, 0.5 내지 2.0mm의 간격이 바람직하다. 상기 돌출부들은 격자(grid)들의 교차점들에 위치할 수 있으며, 서로 평행하게 배치되거나 서로 교차하여 배치될 수도 있다. 예를 들어, 서로 평행하게 배치된 복수의 판상체들로 구성된 돌출부들에서는, 검출 부재의 확장 방향으로의 변형 저항, 및 상기 돌출부들의 배치된 방향에 수직인 변형 저항이 더욱 작게 만들어질 수 있다.

소정의 간격으로 배치된 복수의 주상체들로 구성된 돌출부들은 상기 검출 부재의 확장 방향으로의 변형 저항을 떨어뜨릴 수 있다.

복수의 돌출부들은 그 선단부들이 평행하게 배향되도록 배치되는 것이 바람직하다. 이러한 형태에 있어서, 모든 돌출부들은 물체의 요철에 대해 동일량으로 변위되어, 상기 요철을 증폭하게 된다. 예를 들어, 복수의 돌출부들이 검출 부재의 두께 방향으로 연장되어 있는 주상체들로 구성되어 있는 경우에는, 그 선단부들이 압축되더라도 신장이나 수축이 발생하기 어려우므로, 요철 증폭 부재가 물체와 접촉하게 된다. 또한, 이러한 돌출부들은, 상기 표시 부재의 표면(복수의 돌출부의 선단부)이 물체의 요철을 정확하게 증폭하고 표시할 수 있도록, 수직 자세를 유지하기가 용이하다.

요철 증폭 부재의 두께가 더욱 두꺼워짐에 따라, 즉 돌출부들이 더욱 길어질수록, 증폭 효과도 증가한다. 이러한 이유로, 돌출부의 길이는 사용 시에 신장이나 수축이 발생하지 않는 한, 보다 길게 선택될 수 있는 것이 바람직하다. 형상 및 재료의 관점에서 보면, 돌출부의 바람직한 길이는 2.5mm 보다 짧지 않다. 3 내지 6mm의 길이가 보다 바람직하다. 기둥-형상 및 원뿔-형상의 돌출부들은 상기 돌출부와 검출 부재 사이의 연결부에서 1 내지 1.5mm의 직경을 갖는 것이 바람직하다. 이러한 직경을 갖는 돌출부들은 검출 부재의 가요성을 감소시키지 않는다.

검출 부재 및 표시 부재의 재료 및 두께를 선택하는 것과, 표시 부재의 형상을 선택하는 것은 상기 표시 부재의 변형 저항 및 변형된 정도의 양을 변경시킬 수 있다. 따라서, 검출 부재의 가요성의 값과 요철 증폭 부재의 증폭 연산이 변경될 수 있다. 상기 재료, 두께 및 형상은 품질(요철의 분해능) 및 용도의 관점에서 선택될 수 있다. 또한, 상기 구멍(예컨대, 도 3의 수직 구멍(103))의 중공 공간 및 상기 표시 부재의 인접한 돌출부들 사이에 형성된 공간을 여러 충전재로 충전하는 것도 상기 표시 부재의 변형 저항을 조정할 수 있다.

독립적으로 준비된 검출 부재와 표시 부재는 결합될 수 있고, 또는 검출 부재와 표시 부재가 동일한 재료의 한 몸체에 의해 일체형으로 만들어질 수도 있다. 후자의 경우, 바람직한 탄성률은 1500 내지 3000MPa이고, 더욱 바람직하게는 2400 내지 2500MPa이다. 검출 부재 및 표시 부재의 제조를 위하여, 몰드 및 스테레오리 소그래피를 이용하는 다양한 성형방법이 채택될 수 있다.

상기 표시 부재는 그 변형을 검출하기 위한 변형 검출 소자를 구비한다. 예를 들면, 변형 게이지를 예로 들 수 있다. 전기 저항식의 변형 게이지는 표시 부재의 물리적인 변형을 전기신호로 변환할 수 있다. 표시 부재의 표면의 변형을 검출하는 변형 검출 소자는 보다 높은 정확성으로 물체의 요철을 검출할 수 있는데, 그 이유는 상기 물체의 요철이 표시 부재의 표면에 의해 증폭되기 때문이다. 상기 변형 검출 소자는, 그것이 표시 부재의 변형을 검출할 수 있는 여하한의 위치에도 배치될 수 있다.

(iii) 요철 검출 방법

다음으로, 본 발명의 요철 증폭 부재에 의한 요철 검출 방법을 설명한다.

상기 요철 검출 방법은 접촉 단계 및 검출 단계로 이루어진다. 접촉 단계에서는, 검출 부재가 물체의 표면과 접촉되어 상기 물체의 표면을 따라 상기 검출 부재의 가요성 시트가 변형된다. 검출 단계에서는, 상기 접촉 단계에서 발생된 표시 부재의 변형을 검출함으로써 요철이 검출된다.

위에서 부분적으로 설명한 바와 같이, 검출 부재 상에 형성된 표시 부재는 상기 검출 부재에 의해 검출되는 물체의 요철에 따라 변형된다. 상기 표시 부재는 물체의 표면 형상에 상응하여 변형된다(평탄하거나 기울어짐, 도 2 참조). 검출 부재가 물체의 요철과 접촉된 상태에서 상기 표시 부재의 변형을 검출함으로써, 물체의 요철을 검출할 수 있다.

상기 요철 검출 방법은 또한 요철부 및 그것을 커버하고 있는 표면부로 이루 어진 물체 내에서 요철을 검출할 수도 있다. 접촉 단계에서, 요철 증폭 부재의 검출 부재는 물체 상으로 가압되어 상기 물체의 표면을 따라 변형된다. 상기 요철 증폭 부재는, 검출 단계에서, 상기 요철부의 요철을 검출할 수 있다. 따라서, 상기 요철 검출 방법은 시트와 같은 가요성 물질 밑으로 들어가는 작은 이물질 및 피부 내의 럼프(lump)를 검출할 수 있다.

표시 부재의 변형을 검출하는 것에 대해서는 어떠한 제한도 없다. 하지만, 접촉 단계에서는, 물체의 표면과 접촉된 요철 증폭 부재가 슬라이딩되어, 상기 표시 부재의 변형량이 시간에 따라 유도되게 된다. 상기 검출 단계에서는, 표시 부재의 변형의 시간 종속량의 변량이 촉감에 의해 검출된다. 이하, 촉감에 의한 검출 방법을 설명한다.

촉감을 갖는 인간의 피부는 상이한 연성의 세 층으로 이루어져 있다. 그들은 바깥으로부터 표피(외피), 진피 및 피하 조직의 순서로 배치되어 있다. 체모가 자라지 않는 인간의 피부 안쪽에는, 4종류의 감각 수용기(마이스너 소체(Meissner's corpuscle), 메르켈 원판 수용기(Merkel disk receptor), 파치니층판 소체(Pacinian corpuscle) 및 루피니 종말(Ruffini ending))가 있다. 그들은 피부 조직의 변형 정보를 전기 펄스로 변환한 후, 상기 전기 펄스가 중추신경계로 전달되어 피부감각을 생성하게 된다.

이들 감각 수용기들은 외피로부터 상이한 깊이에 위치되며, 수용필드의 크기(수용기가 자극을 받는 피부표면상의 영역) 및 순응을 위한 속도를 특징으로 한다. 이러한 4종류의 감각 수용기들 가운데, 표피와 진피 사이의 경계에 위치한 마 이스너 소체는 좁은 수용필드로 인하여 공간분해능이 높고, 순응이 빠르다. 이는 손바닥이나 손가락이 물체의 표면과 접촉되어 그것을 따라갈 때, 물체의 요철로부터 기인하는 감각 자극을 분리시키는 데 기여한다. 따라서, 요철의 위치 및 형상이 감지된다. 상기 요철 증폭 부재가 물체의 요철을 검출하는데 사용되면, 마이스너 소체에 도달하는 자극을 증폭하는 것이 효과적이다.

물체의 요철을 인식할 때, 마이스너 소체는 절대 변형량에 상응하는 것이 아니라, 시간의 경과에 따른 변형의 변량에 상응하는 전기 펄스를 생성한다. 마이스너 소체의 구조적인 분석을 통해, 상기 마이스너 소체에 대한 자극에 적합한 전단 방향으로의 시간 종속형 변화의 변량이 공지되게 된다.

접촉 단계에서, 상기 요철 증폭 부재는 기계적으로 접촉하게 되는 촉감을 갖는 손바닥과 같은 피부에 의해 물체의 표면상으로 압축된다. 상기 요철 증폭 부재는 물체의 표면상에서 손과 함께 슬라이딩되어, 표시 부재의 표면의 접선 방향과 법선 방향으로의 변위가 시간의 경과에 따라 변하도록 한다. 검출 단계에서는, 상기 마이스너 소체에 대한 자극에 적합한 전단 방향으로의 변화의 변량으로서, 피부 상에 작용하는 접선 방향으로의 시간 종속형 변위의 변량이 피부 내의 마이스너 소체로 전달된다.

부분적으로 설명한 바와 같이, 표시 부재의 표면상에서의 접선 방향 변위 또는 경사도는 상기 요철 증폭 부재의 두께 및 물체 표면의 경사도에 비례하기 때문에, 상기 표시 부재의 길이로 증폭된 후에 마이스너 소체로 전달되게 된다. 이러한 이유로, 물체의 요철이 촉감에 의해 검출되는 경우에는, 물체의 요철과 접촉된 요 철 증폭 부재를 손으로 슬라이딩하는 것이 바람직하다.

상기 요철 증폭 부재의 표시 부재가 돌출부들로 구성되는 경우에는, 전단 방향으로의 시간 종속형 변형의 변량이 피부 내에 생성되기 쉽다. 이러한 변형의 변량은 돌출부들의 선단부들의 접선 방향으로의 변위의 변량에 기인한다. 이는 돌출부들의 선단부들에서 피부에 대해 분산되어 적용되는 접선 방향 변위가 전단 방향의 변형을 발생시키기 쉽기 때문이다. 접선 방향의 변위는 물체의 요철의 높이에 상응하여 결정된다. 시간 종속형 변위의 변량의 정보는 전단 방향으로의 마이스너 소체의 변형의 변량으로 변환된다.

상기 이유로, 요철 검출 방법에 따르면, 상기 요철 증폭 부재의 표시 부재의 표면의 변위 변량에 의하여, 물체의 형상(경사도 및 높이)이 마이스너 소체의 위치에서 효과적으로 전단 방향으로의 변형의 변량으로 증폭 및 변환될 수 있다.

또한, 상기 요철 검출 방법에 따르면, 손바닥 등은 검출 부재의 하부면이 마찰이 적은 요철 증폭 부재를 통해 물체의 표면상에서 슬라이딩된다. 그 결과, 검출 부재와 물체의 표면 간의 마찰이 줄어들어, 감각이 무뎌질 수도 있는 스틱-슬립 진동(stick-slip vibration)을 방지하게 된다. 진동으로부터 기인하는 소음 및 접촉 자극이 될 수도 있는 마찰을 감소시킴으로써, 요철의 검출을 보다 명확하게 할 수 있게 된다. 복수의 돌출부들로 구성된 표시 부재의 선단부들은 요철 증폭 부재와 피부 간의 미끄러짐을 방지하는데 기여한다.

촉감에 의한 검출 방법을 이용하는 요철 검출 방법은, 자동차 제조 및 선박-제조 시에 강판의 표면상에 존재하는 변형의 표면 검사에 적용될 수 있다. 상기 표 면 검사는 전통적으로 숙련공이 강판 표면을 따라 손바닥을 이동시켜 수행되어 왔다. 요철 검출 방법에 사용되는 요철 증폭 부재는 그 간단한 구조로 인하여 휴대가능하다. 작업 장갑들이 필수적인 작업 현장에서는, 요철 증폭 부재를 작업 장갑 내에 설치하여 사용될 수도 있다. 따라서, 요철 증폭 부재의 용도가 확장된다.

상기 요철 증폭 부재 및 요철 검출 방법은 표면 검사 작업을 하는 초보자의 훈련 시에도 사용될 수 있다. 종래의 훈련 시에는, 초보자들이 그들에게는 평탄해 보이더라도 표면의 변형을 검출할 때까지 물체의 표면을 계속해서 추적(trace)해야만 하였다. 극히 작은 표면의 요철도 검출할 수 있는 본 발명의 요철 증폭 부재 및 요철 검출 방법은 표면의 요철의 위치, 크기 및 형상에 대한 경험(직감)을 쉽게 획득할 수 있다.

획득된 경험들을 이용한 표면의 검사는 요철 증폭 부재 없이도 물체의 작은 요철을 검출할 수 있게 한다. 따라서, 훈련 작업자들에 대한 촉감 능력의 훈련 효과가 개선되어, 본 발명의 요철 증폭 부재를 통해 표면검출기량이 성취될 수 있게 된다.

부분적으로 설명한 바와 같이, 요철 증폭 부재는 그 재료 및 두께의 변화 및 표시 부재의 구조에 의해 그 요철 증폭 정도를 조정할 수 있다. 초보자는 훈련된 수준에 따라 다양한 종류의 요철 증폭 부재를 적절하게 선택하여 훈련 효율성을 높일 수 있다. 자동차 제조의 표면 검사 시에는, 상이한 증폭 정도를 갖는 상이한 종류의 요철 증폭 부재가 모든 종류의 차량에 대해 사용될 수 있다. 따라서, 검사 수준이 차량의 종류에 따라 용이하게 설정될 수 있다.

2. 변형 검출 부재 및 상기 변형 검출 부재를 이용한 요철 검출 방법

본 발명의 변형 검출 부재는 캡슐, 점성 유체, 및 상대 이동 검출 부재로 이루어진다. 상기 캡슐은 응력에 의해 변형될 수 있고, 점성 유체는 상기 캡슐 내에 담겨진다. 상기 상대 이동 검출 부재는 상기 캡슐의 안쪽에 배치되어, 점성 유체에 대한 상대 이동을 검출한다. 도 4는 변형 검출 부재의 일례를 개략적으로 도시한 사시도이다. 상기 변형 검출 부재는 내부에 점성 유체 F를 함유하고 있는 캡슐(1) 및 상기 캡슐(1)의 내측면 상에 위치한 상대 이동 검출 부재(2)를 구비한다.

상기 캡슐은, 응력이 인가될 때에 변형될 수 있는 다양한 재료로 만들어질 수 있는데 후술하기로 한다. 도 4에 도시된 캡슐(1)은 입방체 형상을 가지지만, 점성 유체를 내부에 유지할 수 있는 다양한 다른 형상이 채택될 수도 있다. 예를 들면, 다면체나 구형을 예로 들 수 있다. 또한, 상기 캡슐은 그 일부분에 개구부(들)가 제공될 수도 있다.

상기 캡슐의 내측면 상에 위치한 상대 이동 검출 부재는 상기 캡슐이 변형될 때에 발생되는 점성 유체의 이동을 검출한다. 상기 상대 이동 검출 부재는 상기 캡슐의 변형에 상응하여 유동하는 점성 유체의 이동을 검출한다. 따라서, 캡슐의 변형은 상대 이동 검출 부재에 의해 검출된다. 상기 상대 이동 검출 부재는, 캡슐의 변형에 상응하여 이동하더라도, 상대 이동 검출 부재와 점성 유체 간의 상대적인 이동이 있는 한, 상기 캡슐의 변형을 검출한다.

상기 상대 이동 검출 부재는 점성 유체의 이동을 검출하기 위한 다양한 구조를 가질 수 있다. 상기 상대 이동 검출 부재는 캡슐의 내측면으로부터 안쪽으로 돌 출되는 것이 바람직하고, 변형 게이지 또는 PVDF 센서와 같은 변형 검출 소자가 제공되는 것이 바람직하다. 점성 유체의 이동에 의해 판상체가 휘어지는 상대 이동 검출 부재를 사용함으로써, 상기 점성 유체의 이동을 효과적으로 검출할 수 있다. 여기서는, 캡슐이 변형될 때에 점성 저항으로서 점성 유체의 이동을 수용함으로써 판상체가 휘어진다. 상기 판상체가 캡슐의 변형에 의해 이동되더라도, 상기 점성 유체로부터의 점성 저항을 수용한다.

상기 변형 검출 소자는 판상체, 바람직하게는 용이하게 변형되는 판상체의 위치에 부착되는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 도 4에 도시된 바와 같이, 스트립형 판상체(22)의 일 단부가 캡슐의 일 벽부에 고정된다. 변형 검출 소자는 판상체(22)의 근원부에 부착된다. 변형 검출 부재의 또다른 변형예들이 도 5의 (a) 내지 도 5의 (d)에 도시되어 있다. 도 5의 (a), 도 5의 (b), 및 도 5의 (d)에는, 캡슐의 벽 상에 박혀 있고 점성 유체의 이동에 의해 휘어지지 않는 고강성을 갖는 로드(23a, 23b, 23d), 및 상기 로드들에 고정된 판상체(22a, 22b, 22d)들이 결합되어 있다. 도 5의 (c) 및 도 5의 (d)에는, 캡슐의 벽에 박혀 있고 점성 저항을 수용하는 영역을 갖는 판상체(22c, 22d)들이 제공된다. 특히, 2개의 판상체(22b, 22b')가 서로 교차되어 제공되는 도 5의 (b)의 변형예는 여러 방향으로의 변형을 검출할 수 있다.

상기 판상체는 탄성 부재로 구성될 수 있고, 탄성률은 1000 내지 4000MPa 범위에 있을 수 있다. 이는 검출될 변형량에 따라 달라진다. 판상체의 가요성은 그 탄성률, 크기 및 길이를 조정하여 조정될 수 있다. 따라서, 변형 검출 부재의 감도 가 적절하게 선택될 수 있다. 변형 검출 소자의 검출 범위에 상응하여 판상체의 가장 적합한 가요성을 선택함으로써, 변형 검출 소자가 최대분해능을 나타내도록 할 수 있다.

도 4에 도시된 실시예에서는, 단 하나의 상대 이동 검출 부재(2)만이 캡슐(1)의 일 벽부에 고정되어 있다. 하지만, 복수의 상대 이동 검출 부재가 일 벽부 또는 복수의 벽부에 고정될 수도 있다. 복수의 상대 이동 검출 부재는, 판상체들이 동일한 방향이나 상이한 방향들로 휘어지도록 상기 벽부(들)에 고정될 수 있다. 후자의 경우, 상기 벽들의 복수의 방향으로의 변형이 검출될 수 있다.

점성 유체는 캡슐의 변형에 상응하여 유동하는데, 이 이동은 상대 이동 검출 부재에 의해 검출된다. 이에 따라, 점성 유체는 캡슐의 일부 및 변형 검출 부재의 일부 가운데 적어도 하나와 접촉하도록 유지되기에 충분하다. 여하한의 기포나 공동이 캡슐 내에 존재하더라도 심각한 문제가 결코 발생하지 않는다. 상기 점성 유체는 실리콘 오일과 같이 온도에 대한 점성 변량이 작은 고점성의 유체가 바람직하다. 상기 점성 유체의 동점도(kinetic viscosity)는 1x10⁴ 내지 1x10⁷mm²/sec 범위에 있을 수 있고, 검출될 변형 정도를 변경할 수 있다.

상기 캡슐은 가요성 및/또는 신축성(탄성)을 갖는 다양한 재료로 만들어진다. 상기 캡슐은, 전단 응력의 검출 변량이 변형 검출 부재 상에 작용할 때, 상기 전단 응력들에 의해 변형을 발생시키는 탄성을 가지는 것이 바람직하다. 법선 방향으로 작용하는 힘을 검출할 때, 상기 캡슐은 법선 방향으로 변형시키는 가요성을 가지는 것이 바람직하다. 물체의 요철을 검출할 때에는, 상기 캡슐이 물체의 표면을 따라는 가요성을 가지는 것이 바람직하다.

이하, 그들의 동작을 도 6 및 도 7을 참조하여 설명한다. 도 6의 (I) 및 도 7의 (I)는 도 4에 도시된 변형 검출 부재의 단면을 개략적으로 보여준다. 상대 이동 검출 부재(2)는 좌우 방향으로 유동하는 점성 유체의 이동을 검출한다. 도 8의 상부 도면은 전단 응력이 변형 검출 부재 상으로 작용할 때 캡슐(1) 내에서 발생하는 변형(전단변형)과 시간의 경과 간의 관계를 도시한 그래프이다. 하부 도면은 전단 응력이 변형 검출 부재 상으로 작용할 때 상대 이동 검출 부재(2)가 수용하는 점성 저항(저항력)과 시간의 경과 간의 관계를 도시한 그래프이다. 두 도면에서 (I), (II), (III) 부분은 각각 도 6의 (I), 도 6의 (II), 도 6의 (III) 및 도 7의 (I), 도 7의 (II), 도 7의 (III)에 상응한다. 캡슐(1)이 전단 응력을 수용하는 경우, 변형 검출 부재는 우선 도 6의 (II) 및 도 7의 (II)에 도시된 바와 같은 상태로 변형된 다음, 도 6의 (III) 및 도 7의 (III)에 도시된 바와 같은 상태로 변형된다.

도 6의 (I)에 도시된 바와 같이, 전단 응력이 변형 검출 부재의 하부 및 상부면들 상에 화살표 방향 Wb로 작용함으로써, 캡슐(1)을 도 6의 (II)에 도시된 상태로 변형시킨다. 캡슐(1)의 변형에 상응하여 유동하는 점성 유체 F는 화살표 방향 R₁ 으로의 점성 저항을 상대 이동 검출 부재(2)에 인가한다. 이러한 점성 저항을 수용하는 상대 이동 검출 부재(2)는 상기 점성 유체 F의 이동을 검출하도록 점선으로 도 6의 (II)에 도시된 바와 같이 휘어진다. 점성 저항의 양은 시간의 경과에 따라 점진적으로 감쇄된다(도 6의 (III) 참조).

도 7의 (I)에 도시된 바와 같이, 전단 응력이 변형 검출 부재의 양 쪽면 상에 화살표 방향 We로 작용하면, 캡슐(1)을 도 7의 (II)에 도시된 상태로 변형시킨다. 상기 캡슐(1)의 변형에 상응하여 캡슐 내에서 기울어진 상대 이동 검출 부재(2)에 대하여, 화살표 방향 R₂ 로의 점성 저항이 점성 유체 F로부터 인가한다. 따라서, 상기 점성 유체의 상대적인 이동으로부터 기인한 점성 저항을 수용함으로써, 상대 이동 검출 부재(2)는 점선으로 도 7의 (II)에 도시된 바와 같이 휘어진다. 점성 저항의 양은 시간의 경과에 따라 점진적으로 감쇄된다(도 7의 (III) 참조).

전단 응력을 검출하는 변형 검출 부재에 있어서, 상기 캡슐은 적어도 탄성을 갖는 재료로 만들어지는 것이 바람직하다. 탄성률은 0.02 내지 2000MPa의 범위에 있고, 이는 검출될 변형 정도 및 용도에 따라 변한다. 캡슐이 로봇 피부로서 사용되는 경우에는, 0.02 내지 0.3MPa의 탄성률이 바람직하다.

도 9는 도 4의 상대 이동 검출 부재의 단면을 개략적으로 도시한 예시도이다. 이는 도 9에서 좌우 방향으로 유동하는 점성 유체의 이동을 검출한다. 물체의 표면과 접촉되는 변형 검출 부재에 의하면, 상기 변형 검출 부재 및 물체가 상대적으로 이동한다. 시간이 경과함에 따라, 캡슐(1)은 물체의 표면의 성상에 따라 계속해서 상기 모양으로 변형된다. 특히, 캡슐(1)이 가요성 시트를 구비한 변형 검출 부재가 편리하다. 가요성 시트(11)가 볼록부(bulge portion; Oc)를 포함하는 물체 의 표면을 따라가도록 변형 검출 부재를 슬라이딩시킴으로써, 상기 물체 O의 요철이 검출될 수 있다.

도 9의 상부 도면에 도시된 초기 상태에서는, 변형 검출 부재가 평탄면 상에 놓여 있다. 그 후, 상기 변형 검출 부재는, 중간 도면에 도시된 바와 같이, 우측으로 물체 O의 표면을 따라 볼록부 Oc를 향해 소정의 속도로 슬라이딩한다. 상기 상대 이동 검출 부재(2)는, 중간 도면과 하부 도면에 도시된 바와 같이, 볼록부 Oc의 접선에 수직이 되도록 기울어진다. 점성 유체(F)는 점성 저항을 상대 이동 검출 부재(2)에 대해 화살표 R₃ 및 R₄ 로 도시된 방향으로 인가한다. 점성 저항을 수용함으로써, 중간 및 하부 도면에서 점선으로 도시된 바와 같이 상대 이동 검출 부재가 휘어져, 점성 유체의 움직임을 검출하게 된다.

물체의 표면과 접촉되어 사용되는 가요성 시트는, 상기 물체의 표면 모양에 따라 휘어질 가요성(연성)을 가지는 것이 바람직하다. 상기 가요성 시트의 탄성률은 1000 내지 3000MPa의 범위에 있는 것이 바람직하고, 이는 그 두께에 따라 변한다. 이러한 범위의 탄성률을 얻기 위하여, PET, 폴리아세탈, 폴리카보네이트 및 아크릴과 같은 수지 재료가 채택될 수 있다.

상기 가요성 시트의 두께는 0.1 내지 2mm의 범위에 있는 것이 바람직하며, 이는 탄성률에 따라 변한다. 상기 탄성률 및 두께를 갖는 가요성 시트는 물체의 표면을 따라 용이하게 변형될 수 있는데, 이는 물체의 요철의 검출에 편리하다.

상기 가요성 시트는, 가요성 시트와 물체 간의 마찰이 작도록 하는 재료로 만들어질 수 있다. 이러한 마찰이 작으면, 변형 검출 부재가 물체의 표면상에서 부드럽게 슬라이딩되어 요철을 용이하게 검출할 수 있게 된다. 가요성 시트의 재료가 마찰을 더욱 크게 만드는 경우에도, 가요성 시트의 가요성을 줄이지 않으면서 마찰을 감소시킬 수 있는 여타의 부재가 상기 가요성 시트와 물체 사이에 배치될 수도 있다. 이러한 여타의 부재로는, 가요성 시트와 상이한 재료로 만들어지는 테이프 또는 필름이 상기 가요성 시트의 하부면에 부착될 수 있다.

탄성뿐만 아니라 가요성을 갖는 재료를 이용하면, 인간의 피부와 등가인 연성을 갖는 변형 검출 부재를 실현할 수 있다. 따라서, 검출될 물체의 성상이 확대될 수 있다.

연속적으로 배치된 복수의 변형 검출 부재들이 본 발명의 변형 검출 부재를 구성할 수 있다. 이 경우, 제1캡슐의 일 벽은 제2캡슐의 일 벽으로서 공통으로 사용될 수 있다. 구체적으로는, 실리콘 고무 등으로 만들어진 가요성 몸체에, 점성 유체를 내부에 함유하고, 상대 이동 검출 부재를 내부에 포함하기 위한 복수의 공동들이 제공된다. 복수의 상대 이동 검출 부재(판상체)를 상이한 검출 방향을 갖는 복수의 캡슐 내에 배치함으로써, 복수의 방향으로의 변형들을 검출할 수 있게 된다.

상기 상대 이동 검출 부재는 점성 유체에 대한 상대적인 이동을 검출하여 작용하는 표시 소자를 구비하는 것이 바람직하다. 표시 소자로는, 상대 이동 검출 부재에 의해 검출되는 결과에 따라 발광하는 발광체를 예로 들 수 있다. 발광체에 의해 표시되는 검출되거나 감지되는 변형은 가시적으로 관찰되거나 인식될 수 있다. 발광되는 빛의 색이나 세기는 검출의 정도에 상응하여 변경될 수 있다.

검출된 결과를 토대로, 요철 및 작용하는 응력의 양의 절댓값이 연산될 수 있다. 복수의 검출된 결과를 메모리에 미리 템플릿으로 저장함으로써, 여타의 물체의 성상이 특정될 수 있다.

본 발명자는 마이스너 소체의 구조를 분석하여 본 발명의 변형 검출 부재를 고안하였다. 그러므로, 변형 검출 부재는 인간이 큰 응력을 감지할 때에 큰 응력을 검출하는 것이 예상된다. 작업자에 의해 수행되는 강판 등에 대한 요철 검사의 표준이 정량화될 가능성이 있다.

3. 요철 위치 표시 장치

본 발명의 요철 위치 표시 장치는 검출 표시 부재 및 제어 부재로 이루어진다.

상기 검출 표시 부재는 검출부와 표시부를 포함하여 이루어진다. 상기 검출부는 물체의 요철로 야기되는 그 변형을 검출하는 복수의 변형 검출 부재를 포함하여 이루어진다. 상기 표시부는 상기 검출부에 대향하여 위치한 복수의 발광체를 포함하여 이루어진다. 상기 제어 부재는 변형 검출 부재에 의한 검출 결과에 따라 발광시키도록 발광체들을 제어한다.

검출 표시 부재에 있어서, 검출부 및 표시부는 전후관계로 배치된다. 이에 따라, 조작자는 표시부의 발광에 의해 물체의 표면상의 검출된 위치를 가시적으로 인식할 수 있다. 따라서, 요철이 검출되는 위치를 측정하기 위한 어떠한 위치 센서도 제공될 필요가 없다. 요철 위치 표시 장치가 물체의 표면상에서 고속으로 슬라 이딩되어, 상기 검출부가 요철을 검출하고, 상기 표시부들이 계속해서 검출된 요철에 상응하여 발광하게 된다. 발광체들의 광은 조작자의 망막에 광의 잔상으로 남게 되어, 조작자가 물체의 표면상의 요철 위치를 가시적으로 인식할 수 있게 된다.

검출부와 물체의 표면 간의 상대적인 이동에 의해 물체의 요철을 검출할 수 있는 한, 검출부의 변형 검출 부재에 대한 어떠한 제한도 없다. 변형 게이지 및 PVDF 센서와 같은 종래의 센서 이외에, 변형 검출 부재로는 상술된 요철 증폭 부재 및 변형 검출 부재를 예로 들 수 있다. 상기 검출부를 형성하도록 복수의 변형 검출 부재들이 시트-형상으로 배치될 수 있다.

발광할 수 있는 한, 표시부에 대한 어떠한 제한도 없다. 발광 다이오드와 같이 충분히 강한 높은 가시 특성의 광을 발광할 수 있는 발광체들이 사용되는 것이 바람직하다.

발광체를 발광시키기 위한 제어 부재는 사전에 미리 설정된 역치(thresholds)를 갖는 것이 바람직하다. 상기 역치와 검출된 요철의 정도를 비교한 결과를 토대로, 요철의 유무를 판정하여 발광체의 점멸을 제어하게 된다. 역치의 값을 변경시켜, 요철 위치 표시 장치의 감도가 임의로 조정될 수 있다. 발광체의 발광 색과 세기는 검출된 정도에 상응하여 변경될 수 있다.

검출부 및 표시부에 대한 재료 및 형상에 대해서는 어떠한 제한도 없다. 그들은 시트 형상을 가지는 것이 바람직하다. 물체의 표면과 접촉하는 검출부는 물체의 표면을 따라가도록 연성을 갖는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 나일론 및 비닐과 같은 수지 시트나 패브릭 및 펠트와 같은 섬유 시트를 예로 들 수 있다.

상기 검출 표시 부재는 조작자가 그것을 손으로 사용할 수 있도록 하는 형상을 갖는 것이 바람직하다. 이는 손바닥 쪽에 검출부를 위치시키는 한편, 손등 쪽에 표시부를 위치시키는 백-형상을 가질 수 있다. 예를 들면, 변형 검출 부재 및 발광체를 각각 작업 장갑 및 비닐 장갑과 같은 백-형상의 몸체의 손바닥 측과 손등 측에 배치함으로써, 휴대용 검출 표시 부재를 실현할 수 있다.

검출부의 일 면에 고정되는 한, 변형 검출 부재의 형태에 대한 어떠한 제한도 없다. 복수의 변형 검출 부재가 소정의 패턴으로, 또는 소정의 간격으로 상기 검출부 상에 임의로 배치될 수 있어 그 전체 면을 커버하게 된다. 복수의 변형 검출 부재는 상술된 복수의 발광체와 동일한 패턴으로 배치되는 것이 바람직하다. 상기 제어 부재는, 복수의 변형 검출 부재와 동일한 패턴으로 배치되는 소정의 발광체들을 발광시키는 제어부를 가지는 것이 바람직하다. 따라서, 검출된 요철을 갖는 변형 검출 부재에 상응하는 발광체가 발광하여 요철의 위치를 정확하게 표시하게 된다.

4. 요철 위치 표시 방법

본 발명의 요철 위치 표시 방법은 상대 이동 단계, 검출 단계 및 표시 단계로 이루어진다.

상대 이동 단계에서는, 변형 검출 부재가 물체의 표면과 접촉되는 상태에서 상기 변형 검출 부재 및 물체가 상대적으로 이동된다. 상기 검출 단계는, 상기 변형 검출 부재가 물체의 요철로 야기된 변형을 검출함으로써 요철을 검출한다. 상기 상대 이동은 보다 큰 영역에서의 요철의 위치 검출을 가능하게 한다.

물체의 요철을 검출할 수 있는 한, 변형 검출 부재에 대한 어떠한 제한도 없다. 변형 센서 및 PVDF 센서와 같은 종래의 센서들 이외에, 상술된 요철 증폭 부재를 예로 들 수 있다. 요철 검출 단계를 수행하기 위하여, 상술된 변형 검출 부재 및 요철 위치 표시 장치가 사용될 수 있다. 물체의 표면과 접촉되는 변형 검출 부재는 슬라이딩하거나 이동되는 것이 바람직하다. 상기 변형 검출 부재는 물체에 대해 기계적으로 슬라이딩 될 수 있지만, 그것을 수동으로 슬라이딩시키는 것이 바람직하다.

상기 표시 단계에서는, 물체의 표면상의 요철의 위치가, 상기 상대 이동 단계 및 검출 단계에서 검출된 결과에 따라 발광시켜 시간-종속적으로 표시된다. 시간-종속형 발광으로 인하여, 요철의 위치가 정확하게 판정될 수 있다.

상기 요철 위치 표시 방법은 판정 단계를 추가로 포함할 수 있다. 이는 상대 이동 단계 및 검출 단계에서 검출된 요철의 정도를 토대로, 표시 단계에서의 표시의 유무를 판정한다. 요철 위치 표시 방법이 강판의 표면 검사에 적용되면, 상기 판정 단계는 소정의 표면 정확성으로 불량 또는 거친 표면을 찾는데 기여한다.

상기 표시 단계에서는, 물체의 표면상의 요철의 위치는, 요철이 존재하는 위치에서 발광시켜 상기 물체의 표면상에 표시되는 것이 바람직하다. 상기 표시 단계는 물체의 표면 바로 위쪽 위치에 표시(발광)하는 것이 바람직하다. 변형 검출 부재와 동일한 위치에 발광체를 배치함으로써, 조작자로 하여금 요철의 정확한 위치를 가시적으로 인식할 수 있게 한다.

요철 위치 표시 방법을 수행하기 위하여, 표시 소자로서 발광체를 구비한 변 형 검출 부재 및 상술된 요철 위치 표시 장치가 사용될 수 있다. 상기 요철 위치 표시 장치를 물체의 표면상에서 슬라이딩시킬 때에는, 복수의 발광체들이 연속적으로 발광함으로써, 조작자가 요철의 위치를 가시적으로 인식할 수 있게 된다.

본 발명의 요철 위치 표시 방법의 일례를 도 10 및 도 11을 참조하여 설명한다. 도 10의 좌측 부분은 요철 위치 표시 장치의 손등 쪽을 보여주는 한편, 우측 부분은 요철 위치 표시 장치의 손바닥 쪽을 보여준다. 도 11은 요철 위치 표시 장치를 이용한 요철 위치 표시 방법을 보여준다.

검출 표시 부재(50)는 인간의 손 모양의 형상을 각각 갖는 두 시트(51, 52)를 포함하는 백-형상을 가지는 것이 바람직하다. 조작자는 상기 검출 표시 부재(50)를 손에 착용할 수 있다. 손바닥 쪽에 위치한 시트(51)(검출부)에는 그 외측면 상에 일정한 간격으로 변형 검출 부재로서 복수의 센서 S'가 제공되어 있다. 검출 영역이 일 방향으로 연장되는 경우에는, 동일한 방향을 검출하는 복수의 센서들이 그 라인 상에 배치된다. 상기 센서 S'가 상기 변형 검출 부재로 이루어진 경우, 그들은 손목으로부터 손가락끝까지 연장되는 방향으로 배치되는 것이 바람직하다. 센서들이 배치되는 방향으로 검출 표시 부재를 이동시킴으로써, 요철이 검출될 수 있다(후술함).

손등 쪽에 위치한 시트(52)(표시부)에는, 그 외측면 상에 복수의 발광체 L'가 제공되는 것이 바람직하다. 상기 발광체 L'는 표시부로 이루어지는 것이 바람직하며, 상기 센서 S'와 동일한 방식으로 배치된다.

검출된 요철을 구비하는 센서 S'에 상응하는 발광체 L'는 발광되게 된다. 일 부 센서들과 일부 발광체들이 도면 10에서 도면부호 S₁' 내지 S₁₅' 및 L₁' 내지 L₁₅'로 추가되었다. 손바닥 쪽에 있는 Sn'(시트 51) 및 손등 쪽에 있는 Ln'(시트 52)은 서로 대응한다. 예를 들어, 센서 S₁'이 요철을 검출하면, 발광체 L₁'이 발광한다. 센서 S₁', S₂',... 및 발광체 L₁', L₂',... 는 동시에 작동한다.

물체의 요철 검출시, 조작자는 예컨대 우측 손에 검출 표시 부재(50)를 착용한다. 시트(51)가 물체의 표면과 접촉되어 있는 검출 표시 부재(50)는, 도 11의 화살표로 도시된 바와 같이, 손가락끝에서 손목으로의 방향으로 이동된다. 복수의 발광체 L'는 연속적으로 점멸된다. 여기서, 요철 위를 지나가는 발광체 L'는 발광하는데(마크 E 참조), 이는 조작자로 하여금 요철의 위치를 가시적으로 인식할 수 있게 한다.

상기 검출 표시 부재(50)가 빠르게 슬라이딩하는 경우에도, 조작자의 망막에 남아 있는 광의 잔상이 위치를 인식할 수 있게 한다.

바람직한 실시예

1. 제1실시예

본 발명의 요철 증폭 부재의 일 실시예를 도 12 내지 도 15를 참조하여 설명한다. 도 12는 본 실시예의 전체 요철 증폭 부재를 보여주고, 도 13은 상기 도면의 부분확대평면도이며, 도 14는 도 13의 X-X' 선을 따른 단면도이고, 도 15는 요철 증폭 부재에 의한 요철 검출을 설명하기 위한 예시도이다.

상기 요철 증폭 부재는 검출 부재로서 작동하는 시트형 기저부(101) 및 표시 부재(120)로서 작동하도록 상기 기저부(101)와 일체형으로 형성된 복수의 돌출부(102)로 이루어진다.

상기 기저부(101)는 두께가 0.3mm이고, 폭이 60.0mm이며, 길이(최댓값)가 133.5mm이다. 일 단부로부터 길이 방향으로 연장되어 있는 2개의 슬릿(115)이 평행하게 형성되어 있다(도 12 참조). 따라서, 상기 기저부(101)는 제1부분, 제2부분 및 제3부분으로 분할되어, 검지, 중지 및 약지 손가락이 각각 들어가게 된다. 작동 시, 요철 증폭 부재는 3개의 손가락 앞과 손바닥의 중앙부에 의해 푸시된다.

상기 복수의 돌출부(102)는 전체로서 상부면 상에 형성된다(도 14 참조). 그들은 삼각형 격자들의 교차점들에 위치되는데, 그 면은 대략 1.7mm의 길이를 가진다. 각각의 돌출부(102)는 작은 기둥 형상을 가지는데, 그 직경은 1mm이고 높이는 3.2mm이며, 상기 기저부(101)의 두께 방향으로 직립하여 있다. 상기 돌출부의 최상부는 직경이 1mm인 반구형의 모양이다.

기저부(101)와 복수의 돌출부(102)를 구비한 요철 증폭 부재는 광경화 수지(photo-curing resin)로 만들어지는데, 그 탄성률은 2400MPa이고, 스테레오리소그래피 장치에 의해 형성된다. 상기 기저부(101)의 하부면에는, 마찰을 줄이기 위한 테잎(미도시됨)이 부착된다.

다음으로, 상기 요철 증폭 부재에 의해 물체 O의 표면 Os을 검출하기 위한 검출 방법을 도 15를 참조하여 설명하는데, 도 15는 요철 증폭 부재의 최상부만을 보여준다. 요철은 손가락의 나머지 부분과 손바닥에서 유사하게 검출된다.

검출시, 기저부(101)는 물체 O의 표면 Os 상으로 가압되고, 손가락 전방 P는 돌출부(102)들 상으로 가압된다. 손가락은 임의의 방향(도 15의 화살표 방향)으로 이동되어, 요철 증폭 부재를 상기 표면 Os 상에서 슬라이딩시킨다. 법선 추적력에 의해 가압되어, 기저부(101)는 표면 Os의 형상을 따라 구부러진다. 그 결과, 돌출부(102)의 선단부(122)에서 상기 표면 Os의 형상의 변량에 상응하여 변형이 발생한다.

손가락과 손바닥으로 요철을 검출하기 위하여, 상기 요철 증폭 부재는 0.01 내지 0.02MPa의 압력으로 물체의 표면상으로 가압되고, 100mm/sec의 속도로 왕복운동으로 슬라이딩된다.

평가

복수의 사람(A 내지 G)이 상기 요철 증폭 부재로 검출을 수행하였다. 대상 물체의 상부면에는, 높이가 0.04mm이고 직경이 10mm인 볼록부가 형성되어 있다. 비교예로서, 두께가 0.013mm인 폴리에틸렌으로 만들어진 필름에 의해 검출시험이 유사하게 수행되었다. 시험 결과를 보여주는 표 1에서, 마크 ◎는 볼록부의 선명한 검출을 의미하고, 마크 ○는 볼록부의 희미한 검출을 의미한다. 마크 ×는 볼록부를 검출하지 못했다는 것을 의미한다.

	A	B	C	D	E	F	G
비교예	×	○	○	×	×	×	×
실시예	◎	◎	◎	◎	◎	◎	◎

표 1에서 분명히 알 수 있듯이, 본 실시예의 요철 증폭 부재는 폴리에틸렌 필름에 의해 거의 검출될 수 없는 볼록부를 용이하면서도 명확하게 검출할 수 있다. 유한 요소법(finite element method; FEM)을 이용하는 시뮬레이션에 따르면, 전단 방향으로 마이스너 소체로 전달되는 변형의 시간 종속변량이, 맨손에 의한 경우에 비해, 요철 증폭 부재의 20배 정도로 증폭된다.

촉감이 우수한 숙련자들이 상기 요철 증폭 부재를 이용하여 강판의 표면 검사 시험을 수행해 보았다. 그들의 코멘트는 다음과 같다. "감도가 선명하게 증폭되는 것으로 보임", "종래에는 간과될 수 있는 작은 변형이 검출됨", "작업 장갑은 수많은 횟수로 추적해도 불선명한 감각을 얻는 반면, 요철 증폭 부재는 적은 횟수의 추적만으로도 선명하게 검출함", 및 "요철 증폭 부재의 작은 가압력으로 피로를 줄일 수 있음".

2. 제2실시예

다음으로, 변형 검출 부재의 제2실시예를 도 16 내지 도 18을 참조하여 설명한다. 도 16은 변형 검출 부재의 사시도이고, 도 17의 상부 도면과 하부 도면은 각각 도 16의 Z-Z' 선과 Y-Y' 선을 따른 단면도이다. 도 18은 변형 검출 부재를 제어하는 제어 시스템을 설명하기 위한 도면이다.

상기 변형 검출 부재는 점성 유체를 함유하고 있는 캡슐(10) 및 상대 이동 검출 부재(20)로 이루어진다. 상기 캡슐(10)은 각각 폭, 길이 및 높이가 37mm, 62mm 및 37mm인 6면체 구조를 가진다. 이는 폴리프로필렌(탄성률 : 1600MPa)으로 만들어지고, 두께가 1.5mm인 박스형 케이스(12), 및 아크릴(탄성률 : 2500MPa)으로 만들어지고, 두께가 0.5mm인 판형 바닥부(13)를 포함한다. 실리콘 오일 Fo(동점도 : 1x10⁵mm²/sec)는 캡슐(10) 내에 담겨 있다. 케이스(12)와 바닥부(13) 간의 맞댐부는 경성 고무로 만들어진 환형 시일(14)로 밀봉된다.

상기 상대 이동 검출 부재(20)는 복수의 핀(25) 및 변형 게이지(G₁, G₂)를 포함한다. 각각의 핀(25)은 아크릴(탄성률 : 2500MPa)로 만들어지며 판 모양을 가진다. 폭, 길이 및 두께는 각각 9mm, 23mm 및 0.5mm이다. 4개의 핀(25)들이 종래의 접착제에 의해 바닥부(13)에 부착된다. 그들은 평행하게 일정한 간격으로 배치되어 Z-Z' 방향으로 휘어지게 된다. 중간 영역에 위치하는 2개의 핀(25)에는, 변형 게이지(G₁, G₂)가 그 근원부에 고정된다.

상기 케이스(12)의 근원부의 상부면에는, 2개의 발광체(발광 다이오드)(L₁, L₂)가 고정되어 있다. 발광체(L₁, L₂)의 점멸은 도 18에 도시된 제어 시스템(30)에 의하여 변형 게이지(G₁, G₂)로 검출된 결과에 상응하여 제어된다. 상기 제어 시스템(30)은, 제어 소프트웨어 및 입출력 기저판이 설치되어 있는 전자컴퓨터로 이루어진 연산부를 포함한다. 게이지 증폭기에 의해 취한 변형 게이지(G₁, G₂)의 저항은 전압값으로 상기 연산부에 입력된다. 그 후, 상기 전압값은 A/D 컨버터에 의해 연산부에서 처리될 디지털 신호로 된다. 처리된 결과에 상응하여 디지털 I/O로부터 신호를 전환함으로써, 직류전원을 5V로 증폭시키는 전류증폭회로를 통해 발광체(L₁, L₂)들이 점멸된다.

요철 검출시, 변형 검출 부재 S가 슬라이딩된다. 이렇게 발생된 가속도로 인하여, 실리콘 오일 Fo의 관성이 핀(25)에 영향을 주게 된다. 제어 시스템(30)은 연산 및 처리에 의해 변형과 관련된 신호만을 분리한다. 즉, 가속도로부터 기인하는 신호가 동시에 발광체(L₁, L₂)로 전달되는 한편, 요철을 검출하는 변형 게이지(G₁, G₂)로부터의 신호들은 시간차에 의해 발광체(L₁, L₂)로 전달된다. 상기 발광체 L_{1 은 변형} 게이지 G₂와 변형 게이지 G₁이 이러한 순서로 신호들을 수신할 때에 켜짐으로 설정되는 한편, 상기 발광체 L₂는 변형 게이지 G₁과 변형 게이지 G₂가 이러한 순서로 신호들을 수신할 때에 켜짐으로 설정된다.

(제1검출예)

상기 제2실시예의 변형 검출 부재 S에 의하여 물체의 요철 시험을 수행하였다. 상기 시험의 상세를 도 19를 참조하여 설명한다. 피검출체(40)는 아래와 같이 준비되었다. 두께가 0.09mm이고 직경이 4mm인 원형 시트(42)가 아크릴판(41) 상에 놓여지고, 상기 시트(42)는 클로로프렌의 고무 시트(43)에 의해 커버된다.

따라서, 적당한 볼록면을 가지는 검출면이 준비되었다. 또한, 고무 시트(43)는 폴리에틸렌으로 만들어진 두께가 0.06mm인 시트로 커버되어, 변형 검출 부재 S와 검출면 간의 마찰이 감소되었다.

검출시험시, 변형 검출 부재 S의 케이스(12)는, 바닥부(13)가 검출면 상에 맞대어지도록 조작자의 손으로 유지된다. 상기 변형 검출 부재 S는, 3초에 25mm를 이동하는 속도로 볼록면 위에서, 화살표로 표시된 바와 같이 우측으로 이동된다. 변형 검출 부재 S가 볼록한 검출면 위를 지나갈 때, 발광체 L1은 켜진 후에 꺼지지만, 발광체 L2는 켜지지 않았다. 이와는 대조적으로, 변형 검출 부재 S가 볼록한 검출면 위를 반대방향으로 지나갈 때, 발광체 L2는 켜진 후에 꺼지지만, 발광체 L1은 켜지지 않았다.

이러한 방식으로, 조작자는 검출위치의 위치를 가시적으로 인식하였다. 또한, 변형 검출 부재 S가 빠르게 이동하는 경우에도, 조작자의 망막에 남아 있는 광의 잔상에 의해 볼록위치를 인식하였다.

(제2검출예)

제2검출예는 제1검출예의 피검출체(40) 상의 원형 시트(42)를 제거한 후에 상술된 바와 동일한 방식으로 수행되었다. 그 결과, 발광체 L1 또는 L2 어느 것도 발광하지 않았다. 시간 종속형 변형의 변량이 도 21에 도시되어 있다. 주지하다시피, 큰 변형의 변량은 변형 게이지 G1 또는 G2 어느 것에서도 발생하지 않았다. 이는 원형 시트(42)의 제거로 인하여 눈에 띄는 변형이 전혀 발생하지 않은 것으로 보인다.

Claims (33)

1. 삭제
2. 검출되는 물체의 요철을 증폭시켜 요철을 표시하기 위한 요철 증폭 부재에 있어서,

   상기 물체의 표면과 접촉하여 상기 물체의 표면을 따라 변형시킬 수 있는 가요성 시트(flexible sheet)를 포함하는 검출 부재; 및

   상기 가요성 시트의 한쪽의 표면에 형성되고, 상기 가요성 시트의 두께 방향에 수직인 하나 이상의 방향으로 상기 가요성 시트보다 작은 변형 저항을 가지는 표시 부재를 포함하며,

   상기 표시 부재는 상기 가요성 시트의 표면상에 서로 이격되어 형성된 복수의 돌출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 요철 증폭 부재.
3. 제2항에 있어서,

   상기 돌출부들은 서로 평행한 판상체인 것을 특징으로 하는 요철 증폭 부재.
4. 제2항에 있어서,

   상기 돌출부들은 주상체인 것을 특징으로 하는 요철 증폭 부재.
5. 삭제
6. 삭제
7. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 검출 부재 또는 상기 표시 부재는 수지로 만들어지는 것을 특징으로 하는 요철 증폭 부재.
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제
13. 삭제
14. 삭제
15. 삭제
16. 삭제
17. 삭제
18. 삭제
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