KR19990014847A - 융기형의 역반사 도로 표지 - Google Patents

융기형의 역반사 도로 표지 Download PDF

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KR19990014847A
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데이빗씨.메이
시쓰야에스.히에우
크리스티나유.토마스
워렌제이.존슨
로날드더블유.제르데스
데이빗제이.런딘
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더글라스브루스리틀
미네소타마이닝앤드매뉴팩츄어링컴패니
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E01—CONSTRUCTION OF ROADS, RAILWAYS, OR BRIDGES
    • E01F—ADDITIONAL WORK, SUCH AS EQUIPPING ROADS OR THE CONSTRUCTION OF PLATFORMS, HELICOPTER LANDING STAGES, SIGNS, SNOW FENCES, OR THE LIKE
    • E01F9/00—Arrangement of road signs or traffic signals; Arrangements for enforcing caution
    • E01F9/50—Road surface markings; Kerbs or road edgings, specially adapted for alerting road users
    • E01F9/553—Low discrete bodies, e.g. marking blocks, studs or flexible vehicle-striking members

Abstract

본 발명은 비충전 상측 쉘(12)과, 함께 하우징을 형성하는 하측 기판(14)과, 하우징 내부에 기판의 내벽과 실질적으로 수직하게 정향된 다수의 리브를 포함하는 도로 표지에 관한 것이다. 상측 쉘은 약 30°의 각도로 경사진 제 1 및 제 2 대향 단부면(12b,12c)과, 대향하여 홈이진 핑거 그립 슬롯(30a,30b)을 갖는 대향하여 볼록한 제 1 및 제 2 측면(12d,12e)과, 상측면(12f)을 구비하고, 굽힘 계수가 적절히 크고 충격 계수가 큰 플라스틱 재료로 제조된다. 상측 쉘은 차량 충격을 최소화하기 위하여 측면은 낮고 연부는 만곡되어 있고, 바람직하게는 폴리카보네이트와 같은 열가소성 수지로 제조되며, 약 30%의 유리 섬유 강화재를 포함한다. 하측 기판은 평탄한 내벽과, 평탄한 도로-체결 대향 외벽을 구비하며, 바람직하게는 300,000 PSI(20.7 × 108Pa) 이상의 영 계수를 갖는 플라스틱 재료로 제조된다. 쉘의 주변 바닥면은 기판을 수납하기 위하여 그 안에 형성된 주변 리세스를 구비할 수 있다. 리브는 상측 쉘의 내벽 또는 기판의 내벽 중 하나와 일체로 형성되고, 쉘의 내벽을 지지하기 위하여 기판의 내벽으로부터 쉘의 내벽까지 상측으로 연장한다. 역반사 렌즈(50,52)는 표지의 대향 제 1 및 제 2 측면 중 1개 이상에 위치한다. 리브는 격자 패턴으로 종방향 및 횡방향으로 연장하도록 배치될 수 있다. 리브는 리브의 형태가 원형 및 동심원인 제 1 그룹과, 제 1 그룹에 대해 방사상으로 연장하는 제 2 그룹으로 나뉠 수 있다. 도로 표지의 외관 계수는 최소한 80,000 PSI(5.52 × 108Pa)인 것이 바람직하다.

Description

융기형의 역반사 도로 표지
융기형 도로 표지는 도로의 차선을 나타내는 고속도로 통행선 등을 표시하기 위해 널리 사용된다. 융기형 도로 표지의 한 형태는 단단하고 취성이 있는 주입용 화합물(potting compound)로 충전된 쉘 하우징(shell housing)을 구비한 역반사 표지(retroreflective marker)이다. 이러한 표지는 차량에 의한 반복되는 충격이 가해지는 경우 고속으로 파손되고 분쇄되는 경향이 있다. 그러나, 표지 제조업자는 하우징의 내구성을 개선시키려고 노력해 왔다. 예컨대, 스티어(Steere) 등의 미국 특허 제 5,340,231 호(스팀소나이트사(Stimsonite Corporation)에 양도됨)에는 하우징을 성형하기 위해 잘린(chopped) 유리 섬유 강화 블록 3량체(block terpolymer) 아크릴-스티렌-아크릴로니트릴을 사용하고, 그러나 여전히 하우징 공동(空洞, cavity)을 단단한 에폭시 화합물로 충전시키는 것이 개시되어 있다.
1980년대 중반 이후부터 본 출원의 양수인, 즉 미네소타 마이닝 앤드 매뉴팩츄어링 컴파니(3M)는 하우징을 제조하기 위해 충격 강도가 큰 플라스틱 재료(즉, ASTM D1822에 의해 정의되고 측정된 것처럼 1 foot-pound/inch 이상의 충격 강도를 갖는 플라스틱 재료)를 사용하여 왔다. 이와 같은 충격 저항성이 큰 재료를 사용하는 것이 메이(May)의 미국 특허 제 4,875,798 호(3M에 양도)에 개시되어 있고, 고성능의 3M 모델 280, SP280, 240, 그리고 SP240 표지는 상품화되었다.
본 발명은 차선 등을 표시하기 위해 사용되는 융기형의 역반사 도로 표지에 관한 것으로, 특히 굽힘 계수(flexural modulus)가 크고 차량 충격에 대한 충격 강도가 큰 고외관 계수(apparent modulus)의 내구성 있는 융기형 도로 표지(durable raised pavement marker)에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 도로 표지의 평면 사시도.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 도로 표지의 상측 쉘의 밑면을 도시한 사시도.
도 3은 도 2의 상측 쉘에 사용하기 위한 제 1 패턴의 리브를 구비한 하측 기판의 평면 사시도.
도 4는 도 2의 상측 쉘에 사용하기 위한 제 2 패턴의 리브를 구비한 하측 기판의 평면 사시도.
도 5는 하측 쉘의 바닥 주변 표면내의 제 1 패턴의 리브와 주변 리세스를 도시하기 위하여 기판을 분해한, 도 1에 도시한 표지의 저면 사시도.
도 6은 제 2 패턴의 리브를 도시하기 위하여 기판을 분해한 본 발명의 제 2 실시예에 따른 도로 표지의 저면 사시도.
도 7은 기판을 분해한 도로 표지의 제 3 실시예의 저면 사시도.
도 8은 3M 모델 280 표지 상에서의 초기 타이어 충격 및 반응력을 나타내는 한정 요소 모델의 다이어그램.
도 9는 단일 에너지 디렉터의 제 1 실시예를 도시하는 도면.
도 10은 단일 에너지 디렉터의 제 2 실시예를 도시하는 도면.
도 11은 단일 에너지 디렉터의 제 3 실시예를 도시하는 도면.
본 발명의 1차적인 목적은 내구성 있는 융기형 도로 표지를 제공하는 것으로, 이 표지는 표지가 오랫동안 지속되도록 도로의 자동차로부터의 충격을 견디는 개선된 본체 구조부에 내장된 역반사 렌즈를 구비한다. 이것은 표지의 기부(基部, base)에서 압축력 및 전단 충격력을 인장력 및 압축력으로 바꾸는 방법을 제공함으로써 부분적으로 달성된다.
본 발명의 다른 목적은 차량 충격을 최소화하기 위하여 측면은 낮고 연부는 만곡되어 있는 개선된 표지 본체부를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 쉽게 다룰 수 있도록 핑거 그립 슬롯(finger grip slot)을 갖는 개선된 표지 본체부를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 복합 구조체를 사용하여 표지의 내구성을 개선시키는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 표지 하우징의 강성(stiffness)을 강화시키고, 비튜멘(bitumen)과 에폭시를 포함하는 여러 종류의 접착제와의 적합성을 개선하기 위하여, 성형되고 평평하며 영 계수(Young's modulus)가 큰 기판(基板, base plate)을 포함하는 복합 구조체를 사용하여 표지의 도로 접착성을 개선시키는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 외관 굽힘 계수(apparent flexural modulus)가 큰 표지를 제조하는 것이다.
상기의 목적들은 비충전(unfilled) 상측 쉘, 내부를 갖는 하우징을 함께 형성하는 하측 기판, 그리고 하우징 내부에 기판의 내벽과 실질적으로 수직하게 정향된 다수의 리브(rib)를 포함하는 도로 표지를 제공함으로써 달성된다. 상측 쉘은 대향하여 경사진 제 1 및 제 2 단부면, 대향하여 볼록한 제 1 및 제 2 측면, 상측면, 주변 바닥면(peripheral bottom surface), 그리고 내벽을 구비하며, 이하에서 설명하는 것처럼 굽힘 계수가 적절히 큰 플라스틱 재료로 제조된다. 상측 쉘은 차량의 충격을 최소화하기 위하여 측면은 낮고 연부는 만곡되어 있다. 하측 기판은 평탄한 내벽과, 평탄한 도로-체결(pavement-engaging) 대향 외벽을 구비하며, 영 계수가 약 300,000 PSI(20.7 × 108Pa), 바람직하게는 400,000 PSI(27.58 × 108Pa), 더욱 바람직하게는 500,000 PSI(34.48 × 108Pa) 이상인 재료로 제조된다. 기판은 바람직하게는 플라스틱 재료로도 제조된다.
본 명세서에서 사용하는 영 계수는 ASTM D638, 08.01권에 따라 정의되고 측정된다. 그리고 본 명세서에서 사용하는 굽힘 계수는 ASTM D790에 따라 정의되고 측정된다. 본 명세서에서 사용되는 플라스틱 재료(열경화성일 수도 있고, 열가소성일 수도 있다)에 대하여, 50,000 PSI(3.45 × 108Pa) 미만의 계수(영 계수 또는 굽힘 계수)는 낮은 계수라고 고려된다. 50,000 PSI(3.45 × 108Pa) 내지 300,000 PSI(20.7 × 108Pa)의 계수(영 계수 또는 굽힘 계수)는 적절한 계수라고 여겨진다. 300,000 PSI(20.7 × 108Pa) 이상의 계수(영 계수 또는 굽힘 계수)는 큰 계수라고 고려된다. 굽힘 계수가 적절히 크다고 하는 것은 적절한 계수 범위 및 큰 계수 범위를 포괄하는 굽힘 계수, 즉 50,000 PSI(3.45 × 108Pa) 이상의 굽힘 계수를 의미한다.
리브는 내벽들 중 어느 하나와(즉, 상측 쉘의 내벽 또는 기판의 내벽) 일체로 형성되고(즉, 단일의 부재로서 형성된다), 쉘의 내벽을 지지하기 위하여 기판의 내벽으로부터 쉘의 내벽까지 상측으로 연장한다. 역반사 렌즈는 표지의 대향하여 경사진 제 1 및 제 2 측면 중 1개 이상에 위치한다.
상측 쉘은 바람직하게는 폴리카보네이트(polycarbonate)와 같은 열가소성 수지로 제조되고, 바람직하게는 15% 내지 30%의 유리 섬유 강화재를 포함한다. 유리 섬유 강화재는 상측 쉘의 굽힘 강성을 증가시킨다. 상측 쉘의 형상, 재료의 선택, 그리고 리브의 간격은 바람직하게는 성형을 쉽게 하고 재료의 사용량 및 비용을 최소화하도록 선택한다. 기판은 사용할 때에 굽힘에 저항하기에 충분히 견고한 표지를 얻을 수 있도록 선택한다. 쉘의 주변 바닥면은 기판을 수납하기 위하여 바닥면에 형성된 주변 리세스(peripheral recess)를 구비할 수 있다.
본 발명에 따른 제 1 실시예에 있어서, 리브는 쉘의 내벽과 일체로 형성된다. 본 발명에 따른 제 2 실시예에 있어서, 리브는 기판의 내벽과 일체로 형성된다. 각 시제품(prototype)에서는 리브의 패턴을 변형할 수 있다. 한 리브 패턴에 있어서, 리브는 격자 패턴에서 종방향 및 횡방향으로 연장하도록 배치된다. 다른 리브 패턴에 있어서, 리브는 리브가 원형 및 동심원 형태인 제 1 그룹 및 리브가 제 1 그룹에 대하여 방사상으로 연장하는 제 2 그룹으로 나뉜다.
본 발명의 다른 양태에 있어서, 도로 표지의 외관 계수(이하에서 정의한다)는 최소한 약 80,000 PSI(5.52 × 108Pa), 바람직하게는 100,000 PSI(6.90 × 108Pa)이다.
본 발명의 다른 양태에 있어서, 제 1 및 제 2 단부면은 약 30°의 각도로 경사져 있고, 제 1 및 제 2 측면은 상단부에서부터 바닥까지 그리고 단부에서부터 단부까지 볼록하다.
본 발명의 또 다른 양태에 있어서, 제 1 및 제 2 측면은 그 내부에 홈이진 대향 핑거 그립 스롯이 형성되어 있다.
본 발명은 에폭시 형태의 접착제뿐만 아니라 비튜멘 접착제로도 도로에 고착시킬 수 있는 내구성 있는 표지를 설계하기 위하여, 도로 접착부 파손 양식을 연구함으로써 성능이 우수한 표지에 대한 관련 지식을 확장하였다. 표지가 중립 축을 중심으로 굽어지거나 휘어지도록 하기 위하여, 상측 본체부와 리브는 압축되어야 하고, 기부는 늘어나야 한다. 압축과 신장이 발생하는 경우, 전방부는 벗겨지거나 들어올려져 결국 표지의 접합부는 파손된다. 도로 표면과 접착제 사이에서 또는 표지 기부와 접착제 사이에서 파손이 일어날 수 있다. 벗겨지는 전방부(peel front)라는 용어는, 비튜멘 접착제의 벗겨짐(비튜멘의 접합성 파손), 표지 기부로부터 비튜멘 접착제의 파손, 또는 도로 표면으로부터 비튜멘 접착제의 파손을 설명할 때 사용하는 용어이다. 이러한 현상을 연구할 때 수행하는 한정된 요소 분석(Finite Element Analysis(FEA))에서, 벗겨지는 전방부는 찢어지는 길이 및/또는 이러한 파손 형태를 특정한다. 예컨대, 도 8에서, 벗겨지는 전방부의 길이는 접착제-도로 계면에서 네거티브 작용력을 갖는 노드(node) 집합으로 나타내었다. 이러한 작용력은 접착제(A) 상에 작용하는 인장력(또는 들어올리는 힘)이다. 수평 및 수직 하중(력)은 각각 참조 부호 (X), (Y)로 나타내었다.
우리는 충격 하중을 최소화하고, 타이어의 마모 및 본체부 상의 때를 감소시키기 위하여, 연구 결과에 따라 새로운 표지 구조를 개발하였다. 상업적으로 판매되는 여러 표지에 대하여 얻은 충격력 데이터를 가지고, 우리는 비교 FEA를 수행하였고, 표지 재료의 성능 특성은 도로 표지 접착부 상에 상당한 영향을 미친다는 것을 발견하였다. 특히, 부드러운 접착제로 표지가 도로에 잘 부착될 수 있는 표지 강성의 임계 범위가 있다.
외관 계수가 큰 표지의 한 이점은 굽힘 계수가 적절히 크고 충격 강도가 큰 하우징용 플라스틱 재료, 그리고 최소한 약 300,000 PSI(20.7 × 108Pa), 바람직하게는 400,000 PSI(27.58 × 108Pa) 이상, 좀 더 바람직하게는 500,000 PSI(34.48 × 108Pa) 이상의 영 계수를 갖는 기판용 재료의 구조 조합을 최적화함으로써 고산출의 체적에서 쉽게 가공처리할 수 있는 재료를 고르고 선택할 수 있다는 것이다.
따라서, 본 발명의 다른 이점은 간단한 사출 성형 방법에 의해 가벼운 표지를 쉽게 제조할 수 있다는 것이다. 사출 성형 방법에 의해 간단하게 색깔을 바꿀 수 있으며, 상측 쉘을 충전할 필요가 없게 된다.
본 발명의 다른 이점은 개시된 방법론 및 시험 절차를 이용하여 표지를 구성함으로써 재료의 사용량을 최적화하기 위하여 사출 성형에 대한 지식을 이용하는 것이다.
본 발명은 첨부 도면(동일한 요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 사용)을 참조하여 다음의 바람직한 실시예에 대한 상세한 설명을 통해 더욱 잘 이해할 수 있을 것이다.
본 발명은 융기형 도로 표지의 도로 접촉부가 파손되는 양식을 연구한 결과이며, 본 발명의 의도는 에폭시 형태의 접착제뿐만 아니라 비튜멘 접착제를 이용하여 도로에 부착가능한 내구성 있는 표지를 설계하는 것이다. 본 발명을 개발할 때 취해진 초기 단계 중 하나는 도로에 접착하기 위한 표지 바닥의 표면적 크기를 조사하는 것이었다. 또한 리브 사이의 공간을 채우기 위해 사용되는 에폭시, 아크릴, 스티렌 등과 같은 재료를 사용하였다. 우리는 접합 표면적을 증가시키면 도로에의 접착성을 증가시킬 수 있으나 충분히 오랫동안 지속되지는 않는다는 것을 발견하였다. 어떤 경우에 있어서는, 표지의 기부 면적을 더 크게 하면 기부 면적이 더 작은 표지보다 접착제를 더 얕게 커트한다는 것을 발견하였다. 이를 쿠기 커터(cookie cutter) 효과라고 한다.
우리는 또한 플랜지형(flange-like) 기부를 추가하여 표지 기부의 크기를 증가시킴으로써 접합 면적이 증가되는 것을 또한 관찰하였다. 그 결과, 놀랍게도 우리의 표준 표지(standard marker)보다 도로에 대한 유지력이 더 나빠졌다. 우리는 또한 현존하는 3M의 표지 및 경쟁사의 표지와 유사하지만, 폴리카보네이트 및 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌 공중합체(acrylonitrile butadiene styrene copolymer, ABS)와 같은 견고한 재료로 다른 형태의 표지를 제조하여 도로 접착성을 개선시키려고 하였다. 그 결과는 혼합되었다. 이러한 3M 표지는 현존하는 3M 표지에 비해 약간 개선되었다. 반면에 경쟁사의 시험 표지는 그 시험 표지가 성형된 현존하는 경쟁사의 표지보다 나쁜 결과를 나타내었으나 3M 시험 표지보다는 다소 나은 결과를 나타내었다. 후자는 표지의 도로 접착성을 개선시키기 위해 표지의 형태뿐만 아니라 표지의 재료 성질도 포함하는 우리의 가설을 촉발시켰다. 우리는 충격력을 연구하고, FEA's를 실행하고, 시제품을 실험실에서 시험하며, 실험 결과를 확인함으로써 우리의 가설을 연구했다.
표지의 기부에 전달된 힘(이는 표지의 도로 접착부를 파손시킨다)과 표지의 기하 형태 사이의 관계를 주의깊게 연구하였다. 차량 마모 시뮬레이터(하중 하에서 자동차 타이어 가동을 모의 실험하는 실험실 장치)로부터 그리고 미네소타 고속도로 103 상의 제어 시험 바닥에서 실제 자동차와 반트럭(semi-truck)으로부터의 차량 충격력을 모으기 위하여 매우 민감한 압전기력 변환 장치(piezoelectric force transducer device)를 만들었다. 연구 결과 우리의 현존 3M 표지 모델 280과 경쟁사의 표지에 대하여 놀라운 결과가 나타났다. 3M 표지는 경쟁사 표지보다 실제로 더 작은 하중을 전달하였다. 이러한 결과는 표지 재료의 굽힘 성질의 역할에 대한 우리의 원래 가설을 더욱 강화시켰다. 프로필한 효과 이외에, 타이어의 붕괴, 자동차 타이어 또는 반트럭 타이어의 형태는 압축력에 의존한다는 결과가 나타났다. 이러한 충격력에 대한 데이터를 가지고 우리는 충격 하중을 최소화하고, 타이어 마모 및 본체부 상의 때를 감소시키기 위하여 표지 형태를 재구성할 수 있었다.
임의로 쓸 수 있는 충격력 데이터를 가지고, 우리는 경쟁사의 전형적인 표지와 3M의 현존하는 표지 모델 280에 대해 비교 FEA를 수행하였다. 그 결과 또한 놀라운 것이었다. 먼저, 실험 결과는 접합 면적에 대한 우리의 생각을 확실하게 해주었다. 3M의 현존 표지는 리브붙이(ribbed) 바닥 표면을 구비하고 있다. 리브붙이함으로써 기부의 일부는 인장력을 받게 되고 일부는 압축력을 받는다. 그 결과 표지가 움직이게 되고, 결국 쿠키 커터처럼 접착제를 잘라낸다. 이러한 인장력을 도 8에 도시한다. 둘째로, 인장력(벗기는 또는 들어올리는 힘)을 받는 두 영역이 있는데, 하나는 표지의 선단 연부이고 다른 하나는 표지의 후미 연부이다. 이것은 특히, 충격을 받는 지점과 가장 가까운 영역에서 명백하다.
이러한 결과들은 에폭시처럼 단단한 접착제와 비교해서 비튜멘과 같은 부드러운 접착제에서 우리의 충격 강도가 큰 재료가 잘 작용하지 않는 이유를 설명해주었다. 표지를 도로에 접합시키는 접착제로서 에폭시를 사용하는 경우, 에폭시는 기부에서 굳어져 견고해진다. 이러한 견고한 접합은 표지가 굽어지지 않도록 방지해주며, 이는 접착제 상에 유도되는 변형(strain)을 제어한다. 부드러운 접착제를 사용하는 경우, 표지 본체부는 굽어질 수 있다. 이러한 굽힘 작용은 차례로 접착제 상에 변형을 유도하여 결국 선단 연부 및 후미 연부로부터 접착제를 분리시킨다. 또한, 접합 면적이 부족하면 쿠기 커터 작용을 통해 표지 아래의 접착제 패드의 양이 감소된다. 따라서, 전체적으로 에폭시 접착제와 조화되지 않은 결과가 나타난다.
우리가 수행한 다음 분석은 표지가 굽어지는 정도를 최소화하는 것이었다. 우리는 먼저 리브붙이 하지 않은 채 표지를 단단하게 하였고, 들어올리는 힘에 대해 표지를 분석하였다. 분석 결과는 들어올리는 힘이 감소하였다는 것을 보여주었고 또한 굽힘 계수가 큰 재료를 평가할 수 있도록 해주었다. 또한 굽힘 계수가 증가함에 따라 들어올리는 힘은 감소한다는 것을 보여주었다. 대체로 중공(中空, hollow) 또는 리브붙이 표지에 대해 이러한 결과를 재현하려는 시도에서, 우리는 표지의 기부를 얇지만 영 계수가 큰 재료로 강화시켰다. 그 결과 벗기는 힘이 감소하였다. 훨씬 적은 재료로도 상응하는 들어올리는 힘을 감소시킬 수 있다는 것은 중요한 발견이었다. 표지의 기부에서 영 계수가 300,000 PSI(20.7 × 108Pa) 이상인 경우에는 기부가 잡아당겨지는 것을 방지할 수 있고, 따라서 충격이 가해지는 동안 표지가 굽어지는 것을 방지할 수 있다. FEA 모델링은 또한 0.090 inch(0.229 cm) 두께의 FR-4 적층 재료(어라이드 시그널 라미네이트 시스템즈사(Allied Signal Laminate Systems Inc,)에서 판매)로, 새로운 구조는 동일한 하중 조건 하에서 경쟁사의 표지보다 더 작은 들어올리는 힘을 받는다는 것을 또한 보여주었다.
우리의 시험 결과에 기초하여, 여섯 개의 다른 쉘 재료 및 여섯 개의 다른 기판 재료로 성형하기 위하여 두 개의 시제품 주형을 제조하였다. 두 시제품은 통상 주입되지 않은(비충전) 상측 쉘, 내부를 구비하는 하우징을 함께 형성하는 하측 기판, 하우징 내부에 기판의 내벽과 실질적으로 수직하게 정향된 다수의 리브를 구비하는 것을 특징으로 한다. 상측 쉘은 대향하여 경사진 제 1 및 제 2 단부면, 대향하여 볼록한 제 1 및 제 2 측면, 상측면, 주변 바닥면, 그리고 내벽을 구비하고, 굽힘 계수가 적절히 크고 충격 강도가 큰 플라스틱 재료로 제조된다. 상측 쉘은 차량 충격에 의한 전단 응력 성분을 최소화하기 위해 측면은 낮고 연부는 만곡되어 있다. 하측 기판은 평탄한 내벽과, 평탄한 도로-체결 대향 외벽을 구비하고, 약 300,000 PSI(20.7 × 108Pa), 바람직하게는 400,000 PSI(27.58 × 108Pa), 더욱 바람직하게는 500,000 PSI(34.48 × 108Pa) 이상의 영 계수를 갖는 재료로 제조된다. 리브는 내벽들 중 하나(즉, 상측 쉘의 내벽 또는 기판의 내벽)와 일체로 형성되고, 쉘의 내벽을 지지하기 위하여 기판의 내벽으로부터 쉘의 내벽까지 상측으로 연장한다. 역반사 렌즈는 대향하는 표지의 제 1 및 제 2 측면 중 1개 이상에 위치한다.
리브는 아주 적은 재료를 사용하여 표지 하우징을 구조적으로 안정시킨다. 리브는 3차원 평면에서 프레임 구조체와 유사한 방식으로 작용한다. 기부와 평행한 평면을 따라 취한 표지의 단면은 부재의 3차원 다발형 네트워크(truss-like network)를 나타내는데, 바람직한 실시예에서는 삼각형 형태로 되어 있다. 이러한 리브는 프레임 구조체처럼 차량의 충격으로 인한 전단력과 압축력을 지지하는 작용을 하는 가느다란 부재와 유사하고, 리브는 압축 하중에 의한 축방향 하중과, 전단 응력과, 각 연결 리브에 대한 모우멘트를 전달한다.
상측 쉘은 원하는 색깔을 얻기 위하여 충분한 안료를 포함할 수 있다. 기판은 가해진 힘을 견뎌내기 위해 약 300,000 PSI(20.7 × 108Pa), 바람직하게는 400,000 PSI(27.58 × 108Pa), 더욱 바람직하게는 500,000 PSI(34.48 × 108Pa) 이상의 영 계수를 갖는 재료로 제조된다. 성형을 쉽게 하고 재료의 사용량 및 비용을 최소화할 수 있도록 상측 쉘의 형상, 재료 및 리브의 간격을 선택한다. 사용할 때에 굽힘 저항성이 충분히 큰 견고한 표지를 얻을 수 있도록 기판을 선택한다. 이러한 조건을 충족시키는 기판중 하나가 에폭시 함침 섬유 유리 매트(epoxy impregnated fiber glass mat)이다. 유리 매트가 삽입되는 열가소성 모재로부터 다른 기판을 성형할 수 있다. 가능한 열가소성 모재 및 유리 매트 조합은 렉산(Lexan) 3412 및 JPS 유리 매트 1362(사우쓰 칼로리나, 슬레이터의 JPS 컨버터 앤드 인더스트리얼 코오퍼레이션국, JPS 패브릭스에서 판매)와 렉산 3412 및 JPS 유리 매트 1358(JPS 패브릭스에서 판매), 그리고 렉산 3412 및 JPS 유리 매트 1353(JPS 패브릭스에서 판매)이다.
원하는 역반사 성질을 얻을 수 있고 상측 쉘에 접합시킬 수 있는 재료로 렌즈를 제조한다. 적절한 예가 넬슨(Nelson)의 미국 특허 제 4,875,798 호에 개시되어 있다. 렌즈는 적절한 접착제로 표지 본체부에 부착시킬 수 있지만, 좀 더 바람직하게는 밀봉하기 위하여 예컨대, 초음파 또는 진동 용접(vibration welding)에 의해 표지 본체부에 용접한다.
두 개의 시제품은 리브의 위치가 다르다. 본 발명에 따른 제 1 시제품에 있어서는, 리브가 쉘의 내벽과 일체로 형성된다. 본 발명에 따른 제 2 시제품에 있어서는, 리브가 기판의 내벽과 일체로 형성된다. 각각의 시제품 안쪽에서, 이하에서 상세히 설명하는 것처럼 리브의 패턴을 변형시킬 수 있다.
제 2 시제품에 있어서는 전체 재료중 더 큰 비율의 재료가 상측 쉘에 의해 덮일 수 있다. 다음에 기부 재료와 유사한 재생 플라스틱을 그 색깔과 외관에 관계 없이 리브와 기판에 최대로 사용할 수 있으며, 순수 플라스틱 재료를 상측 쉘에 대해 사용할 수 있다. 이런 식으로 표지의 가시부(可視部, visible portion), 즉 상측 쉘의 색깔과 외관을 제어할 수 있고, 전체 비용을 낮출 수 있으며 이렇게 하지 않을 경우 폐기물이 될 재료를 처리할 수 있게 된다. 바람직하게는 진동 용접이 이용되는데, 왜냐하면 사용되는 일정 크기의 부분들을 조립할 수 있고, 평탄도와 재료의 조성이 달라도 무관하며, 또한 접착제보다도 더 나은 접합을 제공하기 때문이다.
이러한 새로운 시제품 주형을 사용하여 우리의 지시하에서 많은 수의 샘플들을 제조하였다. FEA 결과를 확인하기 위하여 샘플 및 상업적으로 이용가능한 몇몇 표지들을 시험하였다. 이러한 몇몇 샘플들은 이하의 실시예에서 설명할 것이며 첨부 표에 요약되어 있다. 실시예에서 설명하는 샘플들은 단지 설명할 목적이며, 어떠한 방식으로든지 본 발명을 제한하려는 것은 아니다.
각각의 표지 구조가 다르기 때문에, 비교할 수 있는 시험 결과를 얻을 수 있는 유일한 방법은 표지의 크기를 표준화시키는 장치에 의한 것이다. ASTM 시험 방법 D790에서는 재료에 대한 굽힘 계수 시험을 설명하고 있다. 이 시험 방법은 방법 I 및 공정 A로 표지의 굽힘 계수를 측정할 때 이용된다. ASTM D790에서는 또한 샘플의 크기 및 굽힘 계수 측정에 필요한 식을 명기하고 있다. ASTM D790 및 섹션 6.2.1에서는 스팬(span)이 샘플 두께의 16배가 되도록 하고 있다. 융기형 도로 표지의 기하 형태는 이러한 크기비와는 다르다. 따라서, 우리가 시험하는 다른 융기형 표지들 사이에서 균일하고 비교할 수 있는 시험 결과를 얻기 위하여, 표지의 스팬은 여러 형태의 표지 모두를 수용할 수 있도록 1.85 inch(4.70 cm)로 고정된다. 이렇게 스팬을 고정함으로써 계수의 계산시 전단력의 효과를 모든 표지에 대해 균일하게 할 수 있다. 이처럼 표준화된 계수를 외관 굽힘 계수 또는 외관 계수라고 한다. 외관 계수는 PSI 또는 Pa 단위로 표시되는 수이며, 이는 표지의 굽힘 계수를 나타내고 표지에 특유한 것이다. 외관 계수의 값을 이용하여 차량의 충격에 의해 야기되는 굽힘에 대한 표지의 지탱 능력을 분류할 수 있다.
ASTM 시험 방법 D790에 따라서, 한 쌍의 MTS 모델 632.17B-20 신장계(extensometer)를 구비한 컴퓨터-인터페이스(computer-interfaced) 재료 시험기 MTS 모델 810 상에서 굽힘 계수 시험을 수행하였다. 샘플들은 ASTM D790에서 설명된 것처럼 3점 굴곡 모드(three point bending mode)를 위한 두 지지부 상에 놓는다. 샘플 두께 및 길이는 표지 두께 및 길이이고, 스팬은 측정하는 동안 모든 표지 샘플들에 대해 동일한 전단 효과를 유지하기 위하여 1.85 inch(4.70 cm)로 하였다. 바닥에서의 표지 편향을 측정하기 위하여 한 쌍의 신장계를 사용하였다. 신장계의 바늘은 경사면 아래에 인접한 표지 바닥 상에서 중앙선을 따라 지시된다. 편향(deflection)을 정확히 측정하기 위하여 신장계를 사용하였다. 몇몇 표지는 플라스틱 쉘 하우징 및/또는 주입 재료를 둘러싸는 본체부 또는 하중을 받을 때 상단부가 바닥보다 더욱 변형되는 기판에 의해 폐쇄되는 본체부의 복합 구성으로 되어 있기 때문에 편향을 정확히 측정할 필요가 있다. 접착부/도로, 접착부/접착부, 그리고 접착부/표지 기부 계면을 손상시키는 굽힘이 표지의 기부에서 일어나기 때문에, 기부에서의 편향을 측정하기 위하여 고정밀 신장계를 사용하였다.
MTS는 표지 상단부 중심에서 최대 1,000 lbs의 힘을 가하도록 설정하고, 편향율은 분당 0.1 inch(0.25 cm)로 설정하였다. 편향율은 ASTM D790의 섹션 9.1.3에서 주어진 식을 이용하여 계산하였다.
계수를 구하기 위하여, 측정된 힘과 편향율을 플롯하여 기울기를 계산하였다. 표지의 크기는 표지마다 다르다. 따라서, 비교할 수 있는 데이터를 얻을 수 있는 유일한 방법은 표지의 두께 및 길이를 표준화하는 것이다. 외관 계수는 다음의 ASTM 시험 방법 D790에서 특정된 수학식 1을 이용하여 결정한다.
E = 스팬3× 기울기/(4 × 길이 × 두께3)
여기서, 스팬 = 1.85
기울기 = 하중의 변화/지지부에 대한 바닥에서의 편향 변화
길이 = 표지의 길이
두께 = 표지의 두께
실험실에서의 시험 결과는, 외관 계수가 큰 표지를 얻기 위하여 상측 쉘에 대해 굽힘 계수가 적당히 큰 플라스틱 재료를 바로 사용할 수 있고, 기판에 대해 약 300,000 PSI (20.7 × 108Pa), 바람직하게는 400,000 PSI(27.58 × 108Pa), 좀 더 바람직하게는 500,000 PSI(34.48 × 108Pa) 이상의 영 계수를 갖는 재료를 바로 사용할 수 있다는 것을 증명해 준다. 시험 결과는 또한, 비튜멘과 같은 부드러운 접착제를 사용하여 표지를 부착시킬 경우, 표지는 최소한 약 80,000 PSI(5.52 × 108Pa)이상의 외관 계수를 가져야 함을 나타내는데, 왜냐하면 도로에의 접착성이 뛰어난 현재의 몇몇 표지는 상기 범위 내의 외관 계수를 갖고 있기 때문이다. 상한은 현재로서는 알려진바 없고, 상한을 넘어서 외관 계수가 증가하면 접착성에 있어서 많은 이점을 제공하지는 않을 것이다. 우리는 이것을 확인하기 위하여 썬 벨트(sun belt) 상태 중 하나에서 3M의 신뢰할 수 있는 시험 데크 상에서 시험을 수행하였다. 시험 결과는, 외관 계수가 큰 표지를 제조할 경우 손실은 최소로 되고, 외관 계수가 작은 표지에서는 손실이 증가한다는 우리의 이론을 일관되게 확인해 주고 있다. 현장 데이터는 또한 쿠키 커터 효과에 저항하는 표지의 능력에 있어서 평평한 기부와 큰 외관 계수를 조합하면 이점이 있다는 것을 보여준다.
실시예 1
표지의 도로 접착 원리는 차량의 충격을 견딜 수 있는 굽힘 계수 및 충격 강도가 큰 플라스틱 표지 재료를 포함한다. 본 발명의 제 1 실시예에 있어서, 이러한 성질들을 갖는 표지(10)는 현존하고 상업적으로 판매하는 플라스틱 재료를 사용하여 쉽게 제조할 수 있는데, 이들 재료는 그 자체만으로는 가해진 하중을 견딜 수 있는 충분한 굽힘 강도를 갖지는 않는다. 도 1과 도 7을 참조하면, 충격 강도가 큰 상측 쉘(12)을 성형하고, 약 300,000 PSI(20.7 × 108Pa), 바람직하게는 400,000 PSI(27.58 × 108Pa), 좀 더 바람직하게는 500,000 PSI(34.48 × 108Pa) 이상의 영 계수를 갖는 하측 기판(14)으로 상측 쉘을 강화시킴으로써 이를 달성할 수 있다. 상측 쉘(12)은 굽힘 계수가 적절히 크고 충격 강도가 큰 폴리카보네이트 재료, 실시예 1의 경우에는 렉산 141(렉산은 비스페놀(bispheneol) A와 포스겐을 반응시켜 제조한 열가소성 탄산염이 연결된 중합체(thermoplastic carbonate-linked polymer)에 대한 상표이다; 렉산 141은 매사추세츠, 피츠필드의 GE 플라스틱스사에서 판매)로부터 사출 성형된다. 바람직하게는, 상측 쉘(12)은 최대 0.080 inch(0.203 cm) 두께를 갖는다.
상측 쉘(12)은 주변 바닥면(12a), 경사진 두 거울상 단부면(12b,12c), 볼록하게 만곡되고 단부면(12b,12c)에 인접한 두 측면(12d,12e), 상측면(12f), 내벽(12g)을 포함한다. 도 1 및 도 7에 도시한 바와 같이, 측면(12d,12e)은 단부에서부터 단부까지 상단부에서부터 바닥까지 볼록하게 만곡되어 있다.
단부면(12b,12c)에는 홈이 있으며, 단부면으로부터 상측으로 돌출하는 성형 초음파 에너지 디렉터(energy director)(22,24,26)를 구비한다. 반타원형의 홈이진 핑거 그립 슬롯(30a,30b)이 경사진 단부면(12b,12c)에 인접한 측면(12d,12e)에 형성되어 있다. 슬롯(30a,30b)의 바닥면은 표지(10)의 바닥면으로부터 약 0.25 inch(0.64 cm) 높이에 있다.
하측 기판(14)은 평탄한 내벽(상측벽)(14a)과, 평탄한 도로-체결 대향 외벽(하측벽)(14b)을 구비하며, 1/16 inch(0.159 cm)의 얼라이드 시그널사(Allied Signal) 복합 라미네이트 FR-4 재료로 제조된다. 하측 기판(14)의 주위는 상측 쉘(12)의 주변 바닥면(12a)과 동일한 형상이며, 하측 기판(14)의 내벽(14a)은 접착제를 사용하여 상측 쉘(12)의 주변 바닥면(12a)에 부착된다. 실시예 1 의 경우에, 사용하는 접착제는 3M 퀵 셋 제트-웰드TM(3M quick set Jet-WeldTM) TE-031 열경화성 접착제이다.
동심원의 원형 리브(40)가 상측 쉘(12)의 내벽(12g)으로부터 돌출하여 주변 바닥면(12a)과 동일 평면상의 평면에서 종결된다. 방사상 리브(42)가 또한 내벽(12g)으로부터 돌출하여 원형 리브(40)에 연결된다. 방사상 리브(42)는 원형 리브(40)의 공통 중심에 대하여 약 30°이격되어 있고, 원형 리브(40)와 동일한 평면에서 종결된다.
렌즈(50,52)와 같은 두 역반사 요소가 경사진 단부면(12b,12c)으로부터 상측으로 연장하는 에너지 디렉터(22,24,26)를 통해 상측 쉘(12)에 초음파 용접된다. 역반사 렌즈를 초음파 용접하기 위하여 에너지 디렉터를 사용하는 것이 본원에서 참고로 인용하는 미국 특허 제 4,875,798 호에 개시되어 있다. 렌즈(50,52)와 에너지 디렉터(22,24,26)의 크기는 렌즈(50,52)의 상측면이 실질적으로 상측 쉘(12)의 주변 외측면과 수평이 되도록 되어 있다.
에너지 디렉터(22)는 사이에 셀(cell)을 형성하는 격막형(septa)으로 되어 있고, 에너지 디렉터(24)는 셀 안쪽에 위치하는 기둥형(pillar)으로 되어 있다. 에너지 디렉터(24)는 도 9에 도시한 바와 같이 원뿔형일 수 있고, 도 10 및 도 11에서 참조 부호 (24'),(24)으로 표시한 것처럼 원통에 놓인 원뿔 형상일 수 있으며, 또는 렌즈(50,52)와 점접촉을 하는 다른 형태일 수 있다. 최소한 몇몇 에너지 디렉터(22)는 삼각형 패턴으로 배열된다. 에너지 디렉터(22)가 직사각형, 사다리꼴, 그리고 다른 기하 패턴으로 배열될 수도 있지만, 삼각형 모양이 이러한 기하 패턴 중에서 실질적으로 가장 안정하다.
에너지 디렉터(24)는 상단 셀을 따라 별도의 지지부를 제공한다. 이 별도의 지지부는 차량이 상단부 영역으로부터 약 1/3 지점의 거리에서 표지(10)에 충격을 가하는 경향이 있기 때문에 바람직하다. 에너지 디렉터(22)만을 갖는 경우, 렌즈는 반복된 충격으로 파손될 수 있다. 단일의 에너지 디렉터(24)를 추가함으로써 부가적인 지지부를 제공한다. 에너지 디렉터(24)를 추가하면 역반사율의 손실을 최소화하는 이점이 있다. 모든 용접선에서, 역반사 렌즈 구조체의 입방체 모퉁이는 파괴된다. 단일의 에너지 디렉터(24)는 용접선을 최소화하고, 차량의 충격을 지탱하기에 충분한 지지부를 제공한다.
단부면(12a,12b)의 주변 안쪽에 에너지 디렉터(26)를 제공한다. 에너지 디렉터(26)는 렌즈의 주변을 용접 밀폐하고, 습기로부터 렌즈를 보호하기 위하여 에너지 디렉터(22,24)의 높이보다 약간 더 크게 되어 있다. 주변 에너지 디렉터(26)는 다른 내부 에너지 디렉터(24,26)의 상단부 위로 약 입방체 모퉁이 렌즈 높이만큼 융기되어야 한다는 것을 발견하였다. 에너지 디렉터(22)에 의해 형성된 셀은 렌즈가 파괴되는 경우에 오염물질을 함유한다.
표지(10)는 차량 충격을 최소화하기 위하여 측면이 낮고 연부는 만곡되어 있다. 따라서, 그리고 도시를 목적으로한 실시예의 표지(10)는 약 0.625 inch(1.59 cm)의 높이, 측면에서 측면까지의 폭(측면(12d,12e)을 가로질러)이 최대 4.00 inch(10.2 cm), 그리고 단부에서 단부까지의 길이(단부면(12b,12c)을 가로질러)가 약 3.5 inch(8.9 cm)로 되어 있다. 단부면(12b,12c)은 바닥면(12a)에 대해 약 30°의 각도로 경사져 있고, 바닥면(12a)과의 접합점에서 약 0.031 inch(0.079 cm)의 반경으로 만곡되어 있다. 측면(12d,12e)은 상단부에서부터 바닥까지 약 0.750 inch(1.905 cm)의 반경으로, 그리고 측면에서부터 측면까지 약 3.00 inch(7.62 cm)의 반경으로 만곡되어 있으며, 바닥면(12a)으로부터 약 0.575 inch(1.461 cm)의 높이에서 종결된다. 핑거 그립 슬롯(30a,30b)의 바닥면은 바닥면(12a)에 대해 약 13°의 각도로 경사져 있고, 바닥면(12b)으로부터 약 0.14 inch(0.36 cm)의 높이에서 종결된다. 상측 연부는 측면(12d,12e)과의 접합점에서 약 0.06 inch(0.15 cm)의 반경으로 만곡되어 있다.
실시예 2
실시예 2의 표지는 기판이 FR-4 라미네이트(에폭시가 함침된 유리 매트)이고, 약 1/8 inch(0.318 cm) 두께로 되어 있다는 것을 제외하고는 실시예 1의 표지(10)와 동일하다.
실시예 3
실시예 3의 표지(도 6에 도시)는 격자 패턴을 형성하는 종방향 리브(140)와 횡방향 리브(142)를 구비하고 있다는 것을 제외하고는 실시예 1의 표지(10)와 동일하다.
실시예 4
실시예 4의 표지는 실시예 3의 표지처럼 리브가 종방향 및 횡방향으로 되어 있다는 것을 제외하고는 실시예 2의 표지와 동일하다.
실시예 5
실시예 5의 표지(도 5에 도시)는, 20%의 유리 충전 폴리카보네이트 렉산 3412 재료(렉산 3412는 GE 플라스틱사에서 판매)로 제조된 사출 성형 기판(214)을 구비하고, 상측 쉘(212)의 주변 바닥면(212a)은 기판(214)을 수납하기 위하여 바닥면에 리세스(212a')를 구비하며, 기판(214)은 열경화성 접착제를 사용하여 고정되는 대신에 홈이진 영역(212a)에서 상측 쉘(212)에 진동 용접된다는 것을 제외하고는 실시예 1의 표지(10)와 동일하다.
실시예 6
실시예 6의 표지(도 2 및 도 3에 도시)는, 상측 쉘(312)이 중공(中空, hollow)으로 되어 있고, 동심원 리브(340)와 방사상 리브(342)가 기판(314)의 내벽(314a)으로부터 수직하게 연장하며, 리브(340,342) 및 기판(314)은 렉산 3412로부터 유닛으로 성형되고, 기판(314)은 상측 쉘(312)에 진동 용접된다는 것을 제외하고는 실시예 1의 표지(10)와 동일하다. 이러한 시험을 위해 제조한 것은 아니지만, 기판은 도 4에 도시된 것처럼 횡방향 및 종방향으로 연장하는 리브를 구비하도록 형성될 수도 있다.
실시예 7
실시예 7의 표지는, 기판이 섬유 유리 스크림(fiber glass scrim) 상에 압출성형한 렉산 141로 제조되고, 기판은 상측 쉘에 진동 용접된다는 것을 제외하고는 실시예 1의 표지(10)와 동일하다.
실시예 8 내지 실시예 13
실시예 8 내지 실시예 13의 표지는 상측 쉘이 렉산 3412로부터 성형된다는 것을 제외하고는 실시예 1 내지 실시예 6의 표지와 동일하다.
실시예 14
실시예 14의 표지는 하우징이 렉산 3413 재료(렉산 3413은 GE 플라스틱사에서 판매)로부터 성형된다는 것을 제외하고는 실시예 1의 표지와 동일하다.
실시예 15
실시예 15의 표지는 하우징이 렉산 3413 재료로부터 성형된다는 것을 제외하고는 실시예 2의 표지와 동일하다.
실시예 16
실시예 16의 표지는, 하우징이 듀레탄(Durethan) BKV 130 재료(30% 유리로 변형시킨 유리 강화 충격 폴리아미드로, 펜실베니아 피츠버그에 소재하는 Bayer사에서 상업적으로 판매(이전에는 마일즈사에서 판매))로부터 성형된다는 것을 제외하고는 실시예 1의 표지(10)와 동일하다.
실시예 17
실시예 17의 표지는 하우징이 듀레탄 BKV 130 재료로부터 성형된다는 것을 제외하고는 실시예 2의 표지와 동일하다.
실시예 18
실시예 18의 표지는 하우징이 엔테크(Entec) N1033E1 재료(33%의 유리가 충전된 나일론으로, 엔테크 폴리머사에서 상업적으로 판매)로부터 성형된다는 것을 제외하고는 실시예 3의 표지(100)와 동일하다.
실시예 19
실시예 19의 표지는 하우징이 제노이(Xenoy) 6370 재료(GE 플라스틱사에서 상업적으로 판매)로부터 성형된다는 것을 제외하고는 실시예 1의 표지(10)와 동일한다.
실시예 20
실시예 20의 표지는 3M Jet-WeldTM으로 상측 쉘에 접착시킨 FR-4 라미네이트 1/16 inch(0.16 cm)의 기판으로 제조된다는 것을 제외하고는 상업적으로 판매하는 3M 280 표지와 동일하다.
실시예 21
실시예 21의 표지는 스팀소나이트사에서 상업적으로 판매하는 모델 911 표지와 같은 것으로, 에폭시, 유리 구슬(glass bead) 그리고 모래로 구성되는 주입 충전재로 사출 성형한 상측 쉘을 구비하는 쉘-형태의 표지이다.
실시예 22
실시예 22의 표지는 팩테크(Pactech)(에이펙스 표지 모델 918)에서 상업적으로 판매하는 표지로, 에폭시-모래 주입 충전재로 사출성형한 상측 쉘을 구비한 쉘-형태의 표지이다.
실시예 23
실시예 23의 표지는 스웨어플렉스사(Swareflex)에서 상업적으로 판매하는 표지로, 벽은 두껍고 종방향 및 횡방향 리브 형태를 갖는 사출 성형 본체부를 구비한다.
실시예 24
실시예 24의 표지는 레이오라이트사(Rayolite)에서 상업적으로 판매하는 모델 8704(S) 표지로, 주입 충전재로서 에폭시-모래 화합물을 갖는 쉘 형태이다.
실시예 25
실시예 25의 표지는 유리 매트를 갖는 0.055 inch(1.4 mm)의 사출 성형 기판(214)을 구비하고 있다는 것을 제외하고는 실시예 6의 표지와 동일하다. 이 표지에 대한 외관 계수는 개선되지 않았는데, 왜냐하면 샘플을 성형할 때, 4개의 핀 홀(pin hole)이 표지의 네 모퉁이에서 형성되었고, 1 inch(2.54 cm)의 홀이 매트의 중앙에 형성되었기 때문이다. 주형 내에 매트를 유지하기 위해 4개의 핀을 사용하였고, 매트 내의 홀은 재료가 유리 매트로 이동하지 않은 채 공동(空洞, cavity) 속으로 재료를 방사하기 위해 필요하다. 또한, 유리 매트는 기판의 바닥에 적절히 함침되지 않았다. 기판 내의 홀과 유리 매트는 굽힘 계수 시험에 있어서 구조체를 약화시킨다고 여겨진다. 그러나, 유리 매트는 실시예 6의 표지의 강화되지 않은 기부의 계수와 동일한 계수를 샘플이 달성할 수 있다는 점에서 표지의 기부를 강화시키는 것을 도와준다.
외관 계수 측정 및 계산의 결과를 첨부 표에 나타내었다. 표의 데이터는 계수가 큰 강화 기판을 사용함으로써 외관 계수가 큰 열경화성 사출 성형 표지를 얻을 수 있다는 것을 명백히 나타내고 있다. 또한, 외관 계수가 큰 이러한 기판 표지는 다른 취성 표지보다 몇 차수(order)나 큰 충격력을 견딜 수 있는 고충격 저항성을 획득한다는 것을 제외하고는, 단일의 견고하고 취성이 있는 형태의 표지와 비교할만한 범위에 있다. 이러한 시제품 표지의 절반 이상에 대해 접착제를 이용하여 기판을 부착시킬 수 있고, 이는 달성할 수 있는 크기의 계수를 얻을 수 있기에 적절하다. 그러나, 우리는 또한 상측 쉘을 기판에 부착시키는 방법의 효과를 연구하였다. 예컨대, 실시예 1 내지 5, 8 내지 11, 그리고 14 내지 19의 표지를 핫 멜트 접착제(hot melt adhesive)를 사용하여 조립하였다. 실제로, 기판을 하우징에 진동 용접시키는 것이 바람직하다. 진동 용접은 몇 차수 크기 이상으로 접합 강도를 증가시킨다.
또한, 우리는 기판을 표지에 붙이기 위해 이용되는 부착 방법의 효과를 연구하였다. 실시예 6의 표지는 기판을 표지 하우징에 부착시키기 위하여 진동 용접 방법을 이용하였다. 계수가 더 작은 플라스틱 재료로 기판을 제조하기는 하였지만, 얻어진 외관 계수는 굽힘 계수가 훨씬 큰 FR-4 라미네이트 재료로 제조한 실시예 1의 표지의 계수보다 훨씬 컸다. 이것은 FR-4 라미네이트의 두께를 증가시켜도 외관 계수는 단지 극소로 증가하는 이유를 설명해준다. 즉, 접착제가 얇은 조각으로 갈라져서 하중 전달이 최적화되지 않았기 때문이다.
표지에 사용하기에 적절한 여러 형태의 역반사 렌즈 및 부착 방법이 계획된다. 적절한 역반사 렌즈의 자세한 설명은 본원에서 참고로 인용하는 넬슨(Nelson) 등의 미국 특허 제 3,712,706 호, 제 4,875,798 호, 제 4,895,428 호, 홀멘(Holmen)의 미국 특허 제 3,924,929 호, 화이트(White)의 미국 특허 제 4,349,598 호, 아타(Attar)의 미국 특허 제 4,726,706 호에 개시되어 있다.
제 1 실시예에 있어서, 투명한 폴리카보네이트 시트(매사추세츠, 피츠필드의 GE 플라스틱사에서 상업적으로 판매)를 입방체 모퉁이 공구 세공기에 놓고, 열과 압력을 가하며, 다음에 시트를 냉각하여 마이크로 입방체 모퉁이 시트(microcube corner sheet)를 형성함으로써 제조된다. 이러한 시트를 다음의 두 방법 중 하나를 이용하여 렌즈 부재로 다이 컷팅한다. 제 1 방법에 있어서, 렌즈 부재를 하우징 내의 슬롯 속으로 초음파 용접한다. 이러한 슬롯은 차량의 충격에 대한 렌즈의 구조 일체성 및 렌즈의 역반사율을 최적화하기 위해 선택된 통상 삼각형 패턴으로 성형된 에너지 디렉터를 포함한다. 제 2 방법에 있어서, Al 증기 피막을 렌즈 부재 상에 증착시킨다. 다음에 랜즈 부재를 예컨대, 압력 민감성 접착제를 사용하여 상측 쉘의 단부면에 부착시킨다. 렌즈 부재에 Al 증기 피막을 제공하는 경우, 상측 쉘의 단부면에는 에너지 디렉터를 제공하지 않는다.
제 1 방법에 의한 표지는 더 밝은 렌즈를 구비하고, 제 2 실시예에 따른 렌즈는 Al 증기 피막 때문에 약 40% 정도 광도를 잃는다. 제 1 실시예에 따른 렌즈는 약간의 광도를 잃지만, 제 2 실시예에 따른 렌즈보다는 훨씬 덜 잃는다. 또한, 제 1 실시예에 따른 렌즈는, 에너지 디렉터 패턴에 의해 형성되고 습기를 영구히 밀봉하는 포켓 영역을 구비한다.
제 3 실시예에 있어서, 사출 성형 방법을 이용하여 렌즈를 제조할 수 있다. 마이크로 입방체 모퉁이 공구를 렌즈 부재 형태로 컷팅하고, 각각의 렌즈 상에 에너지 디렉터 패턴을 형성시킨다. 따라서, 각각의 렌즈를 성형할 때, 렌즈는 다이 컷팅할 필요 없이 적절한 형상을 갖게 되고, 또한 짜맞추어진(built-in) 에너지 디렉터를 포함한다. 제 3 실시예에 따른 렌즈 시스템은 또한 에너지 디렉터 패턴을 상측 쉘의 단부면 상에 형성시킬 필요성을 제거해 준다. 따라서, 상측 쉘의 단부면을 평탄한 면으로 제공한다. 렌즈 상에 형성된 초음파 에너지 디렉터는, 이용할 수 있는 입방체의 수에 따라 렌즈 광도를 설계할 수 있다는 점에서 이점을 제공한다. 에너지 디렉터를 단부면 상에 형성시키는 경우에, 초음파 용접하는 동안에 파괴될 입방체의 수를 예측할 수 있는 방법은 없다. 렌즈를 에너지 디렉터와 일체적으로 사출 성형시켜 형성함으로써 용접하는 동안에 입방체의 파괴를 제어할 수 있는데, 왜냐하면 입방체 손실양은 렌즈를 설계하는 동안에 결정되기 때문이다. 일체형의 에너지 디렉터를 구비한 렌즈는 일체형 에너지 디렉터를 구비하지 않은 렌즈와 동일한 방식으로, 즉 렌즈를 개방 단부면에 놓음으로써 상측 쉘의 단부면에 초음파 용접할 수 있다.
당업자라면 전술한 것을 참조하여 본 발명을 변형 또는 수정할 수 있을 것이다. 예컨대, 종방향 및 횡방향 리브의 교차점 및 상측 쉘의 내벽과 리브가 접합하는 곳에서의 반경을 변화시킴으로써 격자 패턴의 리브를 변형시킬 수 있다. 반경이 큰(약 0.062 inch(0.157 cm)) 시제품과, 반경이 작은(약 0.031 inch(0.079 cm)) 시제품을 비교 시험한 결과 큰 반경의 리브 패턴이 피로 응력을 더 잘 지탱한다는 것을 나타낸다. 그러나, 동심원 및 방사상 리브를 포함하는 리브 패턴과 비교 시험해보면 동심원/방사상 패턴이 격자 패턴보다 강하다는 것을 나타낸다.
실시예# 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
상측 쉘 렉산 141 × × × × × × ×
렉산 3412 × × × × × ×
렉산 3413
듀레탄 BKV 130
엔테크 N1033E1
제노이 6370
실시예# 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
리브 패턴 원형 × × × × × × × × ×
방사상 × × × × × × × × ×
종방향 × × × ×
횡방향 × × × ×
기판으로부터 돌출 × ×
상츨 쉘로부터 돌출 × × × × × × × × × × ×
기판 렉산 141 ×
투명한폴리카보네이트
FR4 라미네이트1/16 inch × × × ×
FR4 라미네이트1/8 inch × × × ×
렉산 3412 × × × ×
17-mils ply
기판 부착법 에폭시 접착제
진동 × × × × ×
우레탄 접착제 × × × × × × × ×
외관 계수(×103Pa) 96 140 88 119 90 120 101 180 120 140 161 110 130
실시예# 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
상측 쉘 렉산 141 ×
렉산 3412
렉산 3413 × ×
듀레탄 BKV 130 × ×
엔테크 N1033E1 ×
제노이 6370 ×
리브 패턴 원형 × × × × × × ×
방사상 × × × × × × ×
종방향
횡방향
기판으로부터 돌출 ×
상츨 쉘로부터 돌출 × × × × × ×
기판 렉산 141
투명한폴리카보네이트
FR4 라미네이트1/16 inch × × × ×
실시예# 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
FR4 라미네이트1/8 inch × ×
렉산 3412 ×
17-mils ply
기판 부착법 에폭시 접착제 ×
진동
우레탄 접착제 × × × × × ×
외관 계수(×103Pa) 205 200 162 188 120 190 117 229 120 50 130 115

Claims (17)

  1. 대향하여 경사진 제 1 및 제 2 단부면, 대향한 제 1 및 제 2 측면, 상측면, 주변 바닥면, 그리고 내벽을 구비하고, 굽힘 계수가 적절히 크고 충격 강도가 큰 재료로 제조되는 비충전 상측 쉘과,
    평탄한 내벽, 평탄한 도로-체결 대향 외벽을 구비하는 하측 기판으로서, 이 기판의 내벽은 상측 쉘의 하측 주변 바닥면에 연결되고, 쉘과 기판은 함께 하우징을 형성하며, 하우징은 상기 쉘 및 기판의 내벽에 의해 형성되는 내부를 구비하고, 기판은 300,000 PSI(20.7 × 108 Pa) 이상의 영 계수를 갖는 재료로 제조되는, 상기 하측 기판과,
    상기 기판의 내벽과 실질적으로 수직하게 정향되어 있고, 상기 내벽들 중 하나와 일체로 형성되며, 쉘의 내벽을 지지하기 위하여 상기 기판의 내벽으로부터 쉘의 내벽까지 상측으로 연장하는 다수의 리브와,
    상기 대향하여 경사진 제 1 및 제 2 단부면 중 1개 이상에 위치한 역반사 렌즈와를 포함하는 것을 특징으로 하는 융기형 도로 표지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 단부면은 약 30°의 각도로 경사져 있는 것을 특징으로 하는 융기형 도로 표지.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 측면은 상단부에서부터 바닥까지 그리고 단부에서부터 단부까지 볼록하고, 그 안에 대향하여 홈이진 핑거 그립 슬롯을 구비하는 것을 특징으로 하는 융기형 도로 표지.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 쉘의 두께는 최대 0.080 inch인 것을 특징으로 하는 융기형 도로 표지.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 쉘의 바닥면은 기판을 수납하기 위하여 그 안에 형성된 주변 리세스를 구비하고, 기판의 크기는 이 리세스를 수납할 수 있도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 융기형 도로 표지.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 리브는 상기 쉘의 내측면과 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 융기형 도로 표지.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 리브는 상기 기판의 상기 내벽과 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 융기형 도로 표지.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 리브는 격자 형태로 배치되는 것을 특징으로 하는 융기형 도로 표지.
  9. 제8항에 있어서, 상기 리브는 형태가 원형 및 동심원인 제 1 그룹과, 상기 제 1 그룹에 대해 방사상으로 연장하는 제 2 그룹으로 나뉘어지는 것을 특징으로 하는 융기형 도로 표지.
  10. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판은 그 안에 성형된 유리 매트를 갖는 것을 특징으로 하는 융기형 도로 표지.
  11. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 1개 이상의 단부면은, 그 안에 성형되고 렌즈를 단부면에 초음파 용접하기 위하여 단부면으로부터 상측으로 연장하는 다수의 에너지 디렉터를 구비하는 것을 특징으로 하는 융기형 도로 표지.
  12. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 1개 이상의 단부면은, 그 안에 성형되고 단부면에 렌즈를 초음파 용접하기 위하여 단부면으로부터 상측으로 연장하는 다수의 제 1 및 제 2 에너지 디렉터를 구비하고, 상기 다수의 제 1 에너지 디렉터는 다수의 셀을 형성하는 격막형이고, 상기 다수의 제 2 에너지 디렉터는 몇몇 셀에 위치한 단일의 기둥형인 것을 특징으로 하는 융기형 도로 표지.
  13. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도로 표지의 외관 계수는 약 80,000 PSI(5.52 × 108Pa) 이상인 것을 특징으로 하는 융기형 도로 표지.
  14. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도로 표지의 외관 계수는 약 100,000 PSI(6.90 × 108Pa) 이상인 것을 특징으로 하는 융기형 도로 표지.
  15. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판의 영 계수는 400,000 PSI(27.58 × 108Pa) 이상인 것을 특징으로 하는 융기형 도로 표지.
  16. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판의 영 계수는 500,000 PSI(34.48 × 108Pa) 이상인 것을 특징으로 하는 융기형 도로 표지.
  17. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 단부면은 약 30°의 각도로 경사져 있고, 상단부에서부터 바닥까지 단부에서부터 단부까지 볼록한 것을 특징으로 하는 융기형 도로 표지.
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