(57)【要約】  実施例は、長尺の光ファイバの一部の区間に形成されたセンシング部を含むＦＢＧセンサ及び前記測定対象の動きに応じて前記ＦＢＧセンサの変位を引き起こすように前記ＦＢＧセンサを固定支持する固定装置を含み、前記固定装置は、前記測定対象の動きに応じて前記センシング部が曲げ変位なしにねじれ変位を引き起こすようにする曲げ防止部材を含む、ＦＢＧ（Ｆｉｂｅｒ  ｂｒａｇｇ  ｇｒａｔｉｎｇｓ）センサを利用して測定対象のねじれ度合を測定するねじれセンサ装置に関する。
2021530692.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＦＢＧ（Ｆｉｂｅｒ  ｂｒａｇｇ  ｇｒａｔｉｎｇｓ）センサを利用して測定対象のねじれ度合を測定するねじれセンサ装置であって、
光ファイバの一部の区間に形成されたセンシング部を含むＦＢＧセンサ；及び
前記測定対象の動きに応じて前記ＦＢＧセンサの変位を引き起こすように前記ＦＢＧセンサを固定支持する固定装置を含み、
前記固定装置は、前記測定対象の動きに応じて前記センシング部が曲げ変位なしにねじれ変位を引き起こすようにする曲げ防止部材を含むことを特徴とするねじれセンサ装置。
【請求項２】
前記曲げ防止部材は、
前記センシング部のねじれ変位が可能になるように前記ＦＢＧセンサを支持する二つの支持体；及び
前記二つの支持体間を連結して各支持体間の相対的な曲げ動きを防止する補強体を含むことを特徴とする請求項１に記載のねじれセンサ装置。
【請求項３】
前記補強体は、前記センシング部の周りを囲むチューブであることを特徴とする請求項２に記載のねじれセンサ装置。
【請求項４】
前記固定装置は、
前記ＦＢＧセンサが取り付けられ、前記測定対象のねじれ動きに対応してねじれ運動するビームをさらに含み、
前記ビームは、前記二つの支持体を横切って配置されて前記支持体に固定されることを特徴とする請求項２に記載のねじれセンサ装置。
【請求項５】
前記支持体は、ボールベアリングであり、
前記ビームは、前記ボールベアリングの内輪（ｉｎｎｅｒｒｉｎｇ）に固定され、
前記補強体は、前記ボールベアリングの外輪に固定されることを特徴とする請求項４に記載のねじれセンサ装置。
【請求項６】
前記支持体間で、前記ビームの外周に前記センシング部が螺旋状に巻き付けられていることを特徴とする請求項４に記載のねじれセンサ装置。
【請求項７】
前記ビームは、
前記センシング部が螺旋状に巻き付けられるねじれビームと、
前記ねじれビームの両端から延びて前記ＦＢＧセンサを固定する延長ビームを含み、
前記ねじれビームは、前記延長ビームよりも大径で形成されることを特徴をする請求項６に記載のねじれセンサ装置。
【請求項８】
前記固定装置は、前記ビームの両端に位置し、前記測定対象に取り付けられて前記ねじれセンサ装置を前記測定対象に固定する固定部材をさらに含む請求項４に記載のねじれセンサ装置。
【請求項９】
前記固定部材は、前記測定対象に固定される固定体と、
前記固定体に形成されたスリットに挿入されるキー部材を含む請求項８に記載のねじれセンサ装置。
【請求項１０】
前記キー部材は、前記ビームが固定される胴部、及び前記キー部材が前記固定体に対して回転しないようにする回転防止部を含むことを特徴とする請求項９に記載のねじれセンサ装置。
【請求項１１】
前記ビームの両端に形成された固定部材のうちの、第１固定部材は、前記ビームと固定されており、第２固定部材は、前記ビームと固定されておらず前記ビームが前記第２固定部材に対して摺動することを特徴とする請求項８に記載のねじれセンサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書は、ねじれセンサ装置に係り、より詳しくは、ＦＢＧセンサを基盤に測定対象の軸ねじれを測定することができるセンサ装置に関する。
【０００２】
［国家支援の研究開発に関する説明］
本発明のための研究は、韓国科学技術研究院の主観の下、科学技術情報通信部のグローバルフロンティア研究事業（管理機関：韓国研究財団、課題固有番号：１７１１０７３３７４）の支援によって行われたものである。
【背景技術】
【０００３】
３Ｄモーションキャプチャーシステムは、全世界的にスポーツ、ロボティックス、医療、ゲーム、及びグラフィック＆アニメーションなどの様々な分野で使用されており、これを利用する世界市場の規模は漸次増加する傾向にある。
【０００４】
３Ｄモーションキャプチャーシステムを具現するためには、リアルタイムで上下半身の全身動作及び指の動作を同時に測定するためのシステムに関する技術開発が必要であり、現在多様な製品の開発及び研究が進行中の状態である。
【０００５】
既存のマーカーを使用した光学式センサ、慣性センサ、ＥＭＧセンサ、映像カメラ、位置検知エンコーダ、可変抵抗を用いた方式を利用した人体の上下半身の全身動作又は指の動作を検知するための研究が進んでおり且つ当該製品が商用化されているが、慣性センサは経時的に累積誤差（Ｄｒｉｆｔ）が発生し、マーカーを利用した光学式及び位置検知エンコーダの場合は陰影域による測定不可域の発生、ＥＭＧセンサの場合は付着及び外部的なエラーによる誤差の発生などの不具合を持っている。
【０００６】
近年、このような不具合を補うためにＦＢＧセンサを利用して人体の多様な動作などを検知しようとする試みがある。例えば、ＦＢＧセンサは、歪センサ（ｓｔｒａｉｎ  ｓｅｎｓｏｒ）として使用されて測定対象の軸方向に加えられる引張力を測定し、形状センサ（ｓｈａｐｅ  ｓｅｎｓｏｒ）として使用されて測定対象に発生する曲げ（ｂｅｎｄｉｎｇ）の方向と度合を測定し、傾斜計（ｔｉｌｔｍｅｔｅｒ）として使用されて測定対象の傾きを検知することができる。
【０００７】
人体は、腕が動く場合と同様、軸方向に動き、曲げられ、傾くだけでなく、ねじれることがある。このため、人体の動作をさらに精度よく測定するためには、人体のねじれに対する測定が必要である。
【０００８】
しかし、ＦＢＧを利用して軸方向のねじれ運動を測定するセンサについての開発はそれほどなされておらず、これはＦＢＧにねじれによるせん断力（Ｓｈｅａｒ  ｆｏｒｃｅ）が印加される場合、同時に曲げ及び引張（ｔｅｎｓｉｌｉｔｙ）による力も伝達されることになり、これらの複合的な力を分離するのに困難がある。
【０００９】
また、曲げとねじれによって発生する複合的な反射された波長の結果を選り分けられる方法を数式的に接近した事例があるが、ねじれによる波長の変化よりも曲げによる波長の変化のほうが非常に大きいため、リアルタイム分類作業によるエラー発生の可能性が高い。したがって、実際にリアルタイム３Ｄモーションキャプチャーシステムに適用する場合、膨大な量の波長変化データを数式的に分類及び区分しさらにグラフィックユーザインターフェース（ｇｒａｐｈｉｃ  ｕｓｅｒ  ｉｎｔｅｒｆａｃｅ、ＧＵＩ）や実際のモデルに位置や角度、ねじれ情報を伝達するには限界がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】韓国特許公開公報第１０-２００６-００６１５６４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の一側面では、ねじれセンサ装置に関するものであって、より具体的には、ＦＢＧ基盤の軸ねじれの度合の測定が可能なセンサ装置を提案する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一側面によれば、ＦＢＧ（Ｆｉｂｅｒ  ｂｒａｇｇ  ｇｒａｔｉｎｇｓ）センサを利用して測定対象のねじれ度合を測定するねじれセンサ装置であって、長尺の光ファイバの一部の区間に形成されたセンシング部を含むＦＢＧセンサ、及び前記測定対象の動きに応じて前記ＦＢＧセンサの変位を引き起こすように前記ＦＢＧセンサを固定支持する固定装置を含み、前記固定装置は、前記測定対象の動きに応じて前記センシング部が曲げ変位なしにねじれ変位を引き起こすようにする曲げ防止部材を含む、ねじれセンサ装置が提供される。
【００１３】
一実施例によれば、前記曲げ防止部材は、前記センシング部のねじれ変位が可能になるように前記ＦＢＧセンサを支持する二つの支持体及び前記二つの支持体間を連結して各支持体間の相対的な曲げ動きを防止する補強体を含んでよい。
【００１４】
一実施例によれば、前記補強体は、前記センシング部の周りを囲むチューブであってよい。
【００１５】
一実施例によれば、前記固定装置は、前記ＦＢＧセンサが取り付けられ前記測定対象のねじれ動きに対応してねじれ運動をするビームをさらに含み、前記ビームは、前記二つの支持体を横切って配置され前記支持体に固定されていてよい。
【００１６】
一実施例によれば、前記支持体は、ボールベアリングであり、前記ビームは、前記ボールベアリングの内輪に固定され、前記補強体は、前記ボールベアリングの外輪に固定されていてよい。
【００１７】
一実施例によれば、前記支持体間で、前記ビームの外周に前記センシング部が螺旋状に巻き付けられている。
【００１８】
一実施例によれば、前記ビームは、前記センシング部が螺旋状に巻き付けられるねじれビームと、前記ねじれビームの両端から延びて前記ＦＢＧセンサを固定する延長ビームを含み、前記ねじれビームは、前記延長ビームよりも大径で形成される。
【００１９】
一実施例によれば、前記固定装置は、前記ビームの両端に位置し、前記測定対象に取り付けられて前記ねじれセンサ装置を前記測定対象に固定する固定部材をさらに含む。
【００２０】
一実施例によれば、前記固定部材は、前記測定対象に固定される固定体と、前記固定体に形成されたスリットに挿入されるキー部材を含む。
【００２１】
一実施例によれば、前記キー部材は、前記ビームが固定される胴部、及び前記キー部材が前記固定体に対して回転しないようにする回転防止部を含む。
【００２２】
一実施例によれば、前記ビームの両端に形成された固定部材のうちの、第１固定部材は、前記ビームと固定されており、第２固定部材は、前記ビームと固定されておらず前記ビームが前記第２固定部材に対して摺動する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１ａ】一実施例によるＦＢＧセンサの構造を概略的に示した図である。
【図１ｂ】図１ａのＦＢＧセンサの光入口から出射する反射光の波長スペクトルを示したグラフ図である。
【図２】一実施例によるねじれセンサ装置の斜視図である。
【図３】図２のねじれセンサ装置を部分的に拡大して示した図である。
【図４】図３から補強体を図示省略した図である。
【図５】図２のねじれセンサ装置の固定部材を示した図である。
【図６】図５の固定部材のキー部材の斜視図である。
【図７】図２のねじれセンサ装置の両端の固定状態を説明する図である。
【図８】図２のＦＢＧセンサ装置を使用して得たビームのねじれ角度−波長変化量に対する実験データを示したグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、複数の実施例について添付の図面を参照して説明することにする。なお、ここに開示された原理は種々の異なる形態で具現することもでき、ここに記載された実施例に制限して考えられてはならない。発明の詳細な説明において、周知の特徴や技術についての詳細な説明が実施例の特徴を不要に不明瞭にすることを避けるために省略することもある。
【００２５】
図中において、参照符号は構成要素を示す。また、図中の模様や、大きさ、領域、及びその他同様なものは明確性のために誇張して示されることもある。
【００２６】
測定対象は、人、動物、機械、ロボットなどのように自分の一部分及び／又は全体を運動し及び／又は動くことができる種々の対象を意味する。
【００２７】
本明細書において「曲げる」、「曲げられる」とは、曲げ後に測定対象の軸方向中心軸が曲げ前の軸方向中心軸からずれていることを意味する。本明細書において測定対象の「曲げ動き（ｂｅｎｄｉｎｇ  ｍｏｖｅｍｅｎｔ）」、「曲げ動作（ｂｅｎｄｉｎｇ  ａｃｔｉｏｎ）」、「曲げ運動（ｂｅｎｄｉｎｇ  ｍｏｔｉｏｎ）」とは、測定対象の一部又は全部で曲げを発生させる、測定対象自体の動き及び／又は運動、第３者の動き及び／又は運動のことを指す。
【００２８】
本明細書において「ねじれる（ｂｅｉｎｇ  ｔｗｉｓｔｅｄ）」、「ねじる（ｔｗｉｓｔ）」とは、ねじれ後の軸方向中心軸がねじれ前の軸方向中心軸からずれておらず、単に断面が軸方向中心軸を基準に回転することを意味する。本明細書において測定対象の「ねじれ動き」、「ねじれ動作」、「ねじれ運動」とは、測定対象の一部又は全部でねじれを発生させる、測定対象自体の動き及び／又は運動、第３者の動き及び／又は運動のことを指す。本明細書においてねじれは、トーション（ｔｏｒｓｉｏｎ）を含む。
【００２９】
本明細書においてＦＢＧセンサの「曲げ変位」とは、測定対象及び／又は第３者による、「曲げ運動」及び／又は「曲げ動き」によって発生するＦＢＧセンサの格子間の間隔変位を意味する。
【００３０】
本明細書においてＦＢＧセンサの「ねじれ変位」とは、測定対象及び／又は第３者による、「ねじれ運動」及び／又は「ねじれ動き」によって発生するＦＢＧセンサの格子間の間隔変位を意味する。
【００３１】
以下、本発明を実施するための具体的な内容を、添付の図面を参照して詳しく説明することにする。
【００３２】
理解を助けるために、先ず、ＦＢＧセンサ１について説明する。
【００３３】
図１ａは、一実施例によるＦＢＧセンサ１の構造を概略的に示した図である。
【００３４】
ＦＢＧセンサ１は、長尺の光ファイバ１１の一部の区間に複数の格子Ｔ１〜Ｔ４を形成してなる。本明細書では、複数の格子が形成された光ファイバ１１の一部の領域を「センシング部１６」と呼ぶ。
【００３５】
図１ａでは、便宜上、センシング部１６を中心に示しており、センシング部１６の左右に格子を含まない光ファイバ１１の残余部分が延在していてよいことが理解できるはずである。センシング部１６の左右に延在している光ファイバ１１の残余部分は、光ファイバ１１内部に光を伝達する通路の役割をし、その長さ及び変位が動きの検知には影響を及ぼさない。言い換えれば、センシング部１６以外の光ファイバ１１の残余部分は必要に応じてその長さが調節されてよく、延在方向などを種々に調整することができる。
【００３６】
本実施例によれば、光ファイバ１１は、ガラス材質から形成され屈折自在なクラディング（ｃｌａｄｄｉｎｇ）１２と、前記クラディング１２の中心でクラディング１２の長さ方向に沿って形成されたコア（ｃｏｒｅ）１３を含む。クラディング１２の屈折率とコア１３の屈折率とは互いに異なる。例えば、クラディング１２の屈折率はｎ１で、コア１３の屈折率はｎ０であって、互いに異なる。光ファイバ１１の両端には、光源（図示せず）から光が入射する光入口１４と、コア１３を通って光が出射する光出口１５が形成される。
【００３７】
光ファイバ１１の一部の領域のコア１３には、それぞれｎ個（ｎ≧２、自然数）の格子が一集合をなして形成された複数の格子ノードＴ１〜Ｔ４が形成されて、センシング部１６を形成する。
【００３８】
格子は、光ファイバ１１の製作過程で紫外線光によってコア１３の一部分の物性を変化させた部分であって、クラディング１２及びコア１３とは異なる屈折率（例えば、ｎ０＋Δｎ）を有する。
【００３９】
複数個の格子は、格子間の間隔Λをあけて配置される。格子間の間隔Λは多様であってよい。例えば、格子間の間隔Λは同一であってもよい。又は、ＦＢＧセンサがｎ個の格子を含む場合、ｎ−１個の格子間の間隔はそれぞれΛ１、Λ２、…Λa、…Λｎ−１と互いに異なってもよい。例えば、それぞれの格子ノードＴ１〜Ｔ４をなす各格子間の間隔Λ１〜Λ４は漸次増加する関係を有してよい（すなわち、Λ１＜Λ２＜Λ３＜Λ４）。それぞれの格子ノード間の間隔は、格子ノードを形成する格子間の間隔Λ１、Λ２、Λ３、Λ４に比べて顕著に大きい。
【００４０】
前記のような構成によれば、光ファイバ１１の光入口１４に入射した入射光は、格子ノードによる干渉が発生する。光入口１４から出射する反射光は、各格子ノードに対応するピークが存在する波長スペクトルを示す。
【００４１】
図１ｂは、図１ａのＦＢＧセンサ１の光入口１４から出射する反射光の波長スペクトルを示したグラフである。
【００４２】
格子ノードの格子間の間隔Λと反射光の波長λＢは、下記の式１で表すような関係を有する。
【数１】
2021530692.tif 000003
【００４３】
前記式中、ｎｅｆｆは、コアの有効屈折率を示す指標である。
【００４４】
図１ｂの波長スペクトルに示される波長λ１、λ２、λ３、λ４は、各格子ノードの格子間の間隔Λ１、Λ２、Λ３、Λ４を前記式１に代入して求めた値に該当する。言い換えれば、波長λ１、λ２、λ３、λ４は、それぞれ一つの格子ノードによって反射されて出射する反射光の波長を示すものである。
【００４５】
第１格子ノードＴ１が位置した部分でＦＢＧセンサ１の変位が発生した場合、第１格子ノードＴ１を構成する格子間の間隔Λ１が変化するはずであり、その結果、前記式１で表すような関係によって図１ｂの波長曲線のうち波長λ１に対する曲線が左右に移動する（ｓｈｉｆｔ）ことが測定できるようになる。したがって、波長λ１に対する曲線が左右に移動することが測定できると、第１格子ノードＴ１の位置でＦＢＧセンサ１の変位が発生したと判断することができる。
【００４６】
一般的に測定対象がＦＢＧセンサを装着した状態で動く場合、測定対象の動きは、ＦＢＧセンサ１の曲げ変位及び／又はねじれ変位を併せてもたらすことがある。この場合、波長変化情報は、測定対象のねじれ度合だけでなく曲げ度合についての情報も含むはずである。そのため、測定対象のねじれ度合だけをＦＢＧセンサ１にて測定するためには、ＦＢＧセンサ１の曲げ変位を防止することが必要となる。
【００４７】
本発明は、後述するように、ＦＢＧセンサ１の曲げ変位を防止して測定された波長変化情報が、測定対象の一般的な動きのうちのねじれ動きについての情報だけを示すようにすることができる。
【００４８】
図２は、本発明の一実施例によるねじれセンサ装置１００の斜視図である。
【００４９】
図２に示されたように、本実施例によるねじれセンサ装置１００は、ＦＢＧセンサ１と、測定対象の動きに応じてＦＢＧセンサ１の変位が発生するようにＦＢＧセンサ１を測定対象（図示せず）に固定支持する固定装置２を含む。
【００５０】
固定装置２は、ＦＢＧセンサ１が取り付けられ、前記測定対象のねじれ動きに対応して少なくとも一部分がねじれ運動するビーム４と、前記ビーム４を測定対象に固定させる固定部材５を含む。
【００５１】
本実施例によれば、測定対象は、例えば、人の腕であってよい。ヒジ関節は運動時に曲げ運動及び／又はねじれ運動が複合的に起きる多自由度関節であり、本実施例によるねじれセンサ装置１００は、ヒジの運動のうちのねじれ運動を機械的に分離してヒジ関節のねじれ度合を測定する。
【００５２】
このために、本実施例による固定装置２は、測定対象の動きに応じてＦＢＧセンサ１が曲げ変位なしにねじれ変位を引き起こすようにする曲げ防止部材３を含む。
【００５３】
図２に示されたように、固定部材５は、ねじれセンサ装置１００の両端部に形成される。二つの固定部材５は、それぞれユーザの上膊と下膊に取り付けられる（例えば、ユーザが着服した衣服に固定される）。ビーム４は、二つの固定部材５の間を延びて、ユーザのヒジを横切るように形成される。
【００５４】
ビーム４は、例えばポリマー材質からなる可撓性を有する。ユーザがヒジ関節を動かすと、二つの固定部材５の相対変位が発生し、その結果、ビーム４は曲げ変位及び／又はねじれ変位をするようになる。
【００５５】
ＦＢＧセンサ１は、ビーム４の表面に取り付けられるか（図３参照）、中空のビーム４の内部を通過してビーム４の内周面に取り付けられる。このため、ビーム４の曲げ運動及び／又はねじれ運動に対応してＦＢＧセンサ１は曲げ変位及び／又はねじれ変位する。
【００５６】
センシング部１６の左右に延在する光ファイバ１１の部分は如何なる変位を起こしても構わないが、ヒジ関節のねじれ動きだけを分離測定するために、本実施例によれば、曲げ防止部材３によって少なくともセンシング部１６の曲げ変位を制限する。
【００５７】
図面には詳しく示されていないが、ＦＢＧセンサ１は、曲げ防止部材３の外側でビーム４に形成された通孔からビーム４内部を通っていき、曲げ防止部材３の内側でビーム４に形成された他の通孔からビーム４の外部に通り抜けるように延びている。
【００５８】
このとき、ＦＢＧセンサ１のセンシング部１６が曲げ防止部材３の内部に位置するように配置される。
【００５９】
センシング部１６を囲む曲げ防止部材３によってセンシング部１６の曲げ変位が防止される。曲げ防止部材３は、ビーム５の中間に位置し、好ましくは、曲げ防止部材３及びセンシング部１６はヒジ関節の位置などの測定位置に対応して配置される。
【００６０】
図３は、図２のねじれ測定センサ１００を部分的に拡大した拡大図であり、図４は、図３から補強体３４を省略して示した図である。
【００６１】
曲げ防止部材３は、ビーム４のねじれ運動を許容してＦＢＧセンサ１がねじれ変位を引き起こし得るようにＦＢＧセンサ１を支持する二つの支持体３２、及び二つの支持体３２間を連結して二つの支持体３２間の相対的な曲げ動きを防止する補強体３４を含む。
【００６２】
本実施例による補強体３４は、ＦＢＧセンサ１の周りを完全に囲むチューブであり、支持体３２は、ボールベアリングである。ボールベアリングの内輪３２２は、ビーム４に噛み合って固定され、ボールベアリング３２の外輪３２１は補強体３４の両端に固定される。
【００６３】
本実施例による補強体３４は、金属又はポリマーのような多様な種類の材料から形成されてよいが、人体の動きによって曲げ変位を引き起こさない強度と長さを有する。
【００６４】
その結果、補強体３４及びそれに連結された支持体３２から構成される曲げ防止部材３は、測定対象の動きによっても如何なる方向へも曲げ変位を引き起こさない。さらに、曲げ防止部材３に囲まれたＦＢＧセンサ１のセンシング部１６は曲げ変位を引き起こさない。
【００６５】
一方、外輪３２１に対して相対的に回転可能な内輪３２２に固定されたビーム４は、ねじれ運動が可能であり、ビーム４に固定されたセンシング部１６がねじれ変位を引き起こすことが可能となる。
【００６６】
補強体３４は、二つの支持体３２間の相対的な曲げ動きを防止する、例えば、支持体３２間を連結する一つ以上のバー（ｂａｒ）状の形態で形成されてもよいが、チューブ状の形態を有することで、測定対象の動き方向に関係なくＦＢＧセンサ１の曲げ変位を防止することができる。
【００６７】
支持体３２としては、ボールベアリングの他にも、ビーム４を支持しながら、ビーム４のねじれ運動を邪魔しない多様な部品が使用されてよい。
【００６８】
図３及び図４に示されたように、ＦＢＧセンサ１のセンシング部１６は、曲げ防止部材３の内部を通過するビーム４の外周に螺旋状に巻き付けられている。ＦＢＧセンサ１がセンシング部１６を螺旋状に配置することで、ビーム４のねじれによってセンシング部１６により大きな変位が発生するようにして、測定に必要な十分な量の波長変化を誘導する。
【００６９】
本実施例によれば、ＦＢＧセンサ１にテンション（ｔｅｎｓｉｏｎ）を加えてねじれビーム４２に巻き付けることで、センシング部１６の格子間の間隔がテンションが加えられていない状態よりも若干増加した状態で形成されるようにする。この状態の格子間の間隔をねじれセンサ装置１が初期状態としてセットする。
【００７０】
ヒジ関節が一方向に動いてビーム４がセンシング部１６の巻き付けられた方向にねじれると、ねじれビーム４２上のセンシング部１６が引っ張られて格子間の間隔が増加する。一方、ヒジ関節が他方向に動いてビーム４がセンシング部１６の巻き付けられた方向と逆方向にねじれると、ねじれビーム４２上のセンシング部１６が弛緩し弾性復元によって収縮しながら格子間の間隔が減少するようになる。
【００７１】
格子間の間隔が増加すると、波長変化の方向が正の方向になり、格子間の間隔が減少すると、波長変化の方向が負の方向になる。この結果、波長変化の方向（符号）から測定対象のねじれ方向を区分することができる。
【００７２】
さらに、格子間の間隔の変化からビーム４のねじれ度合（すなわち、測定対象のねじれ度合）を測定することができる。
【００７３】
例えば、センシング部１６のねじれ変位とビーム４のねじれ運動は、下記の式２で表すような関係を有する。
【数２】
2021530692.tif 000004
【００７４】
式２中、ΔΛは、円形ビーム４に取り付けられたセンシング部１６のねじれ変位、ｄは、ＦＢＧセンサが取り付けられた円形ビームの直径、ｌは、ＦＢＧセンサが取り付けられた円形ビームの長さ、Δδは、ＦＢＧセンサが取り付けられた円形ビームのねじれ角を示す。格子間の間隔が分かると、ビーム４のねじれ角が分かる。
【００７５】
ビーム４のねじれ角と測定対象のねじれ度合とは比例する関係を有するので、ビーム４のねじれ角から測定対象のねじれ度合を類推して求めることができる。
【００７６】
ＦＢＧセンサ１がねじれビーム４２に巻き付けられた回数、巻き付けられた形態、巻き付けられた角度などは、センサ装置の用途及び大きさなどに応じて適宜調節されてよい。
【００７７】
一方、本実施例によるビーム４は、ＦＢＧセンサ１のセンシング部１６を固定するねじれビーム４２と前記ねじれビーム４２の両端から延びて曲げ防止部材３の外部でＦＢＧセンサ１を固定する延長ビーム４４を含む。
【００７８】
図示されたように、ねじれビーム４２は、延長ビーム４４よりも大径で形成される。ねじれビーム４２の直径は、曲げ防止部材３の内部でＦＢＧセンサ１が補強体３４に接触しない程度に形成される。
【００７９】
本実施例によれば、ねじれビーム４２は、例えば、ポリマー材質で可撓性を有する材質から形成され、延長ビーム４４は、例えば、金属などの剛性を有する材質から形成される。
【００８０】
したがって、本実施例によれば、測定対象がねじれ運動をする場合、二つの延長ビーム４４自体は、ねじれることなく互いに相対回転しながら、ねじれビーム４２にトルクを伝達する役割をする。すなわち、本実施例によれば、ビーム４で実質的なねじれ変位が起きる部分はねじれビーム４２である。
【００８１】
このように、ビーム４がねじれ運動をすることは、ビーム４全体がねじれ変位を引き起こす場合だけではなく、ビーム４の少なくとも一部分がねじれ変位を引き起こす場合も含むと理解されるべきである。
【００８２】
本発明の実施例は、ヒジ関節などの測定部位に位置するねじれビーム４２だけが実質的にねじれ変位を引き起こすようにすることで、センシング部１６の格子間の間隔が、測定対象の動きに直ちに反応して変化する。その結果、長尺のビーム４全体がねじれ変位する場合に比べて測定誤差を低減することができる。
【００８３】
本実施例のように、より大径を有するねじれビーム４２の表面にセンシング部１６を螺旋配置すると、前記式２で円形ビームの直径ｄが増加するようになる。同じ量の波長変化に対してより精度良いねじれ角Δδを求めることができ、センサ装置の分解能（ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ）が良好になる。
【００８４】
一方、ビーム４のねじれ角から測定対象のねじれ度合を求めるためには、センシング部１６とねじれビーム４２とが測定対象と極力密着していることが要求される。
【００８５】
二つの固定部材５が測定対象に固定された状態でビーム４が固定部材５に拘束されていると、測定対象の曲げ動きの方向に応じてビーム４が曲がりながら、センシング部１６とねじれビーム４２が測定対象から離れられ得る。
【００８６】
図５は、本発明の一実施例による固定部材５の構造を説明する図である。
【００８７】
本実施例による固定部材５は、測定対象に取り付けられる固定体５１と、前記固定体５１に形成されたスリット５３に挿入されるキー部材５５を含む。
【００８８】
キー部材５５は、延長ビーム４４の端部に固定される。キー部材５５は、固定体５１に形成されたスリット５３に挿入され、スリット５３の内部で摺動自在である。
【００８９】
図６は、一実施例によるキー部材５５の斜視図である。
【００９０】
キー部材５５は、延長ビーム４４に固定される胴部５５２、及び胴部５５２の一方側に突出する回転防止部５５４を含む。スリット５３は、キー部材５５の形状に対応して形成される。
【００９１】
正確な測定のためには、測定対象の動きによって固定部材５が動く場合、それに連動してビーム４も動かなければならない。固定部材５が動くときにビーム４が固定部材５に対して空回りすると、正確なねじれ運動が伝達されない。
【００９２】
本実施例によれば、回転防止部５５４が形成されることで、キー部材５５が固定体５１に対して回転しないので、測定対象のねじれ運動によるねじれ力（例えば、トルク（ｔｏｒｑｕｅ））をビーム４に正確に伝達することができる。
【００９３】
キー部材５５は、必ずしも一部が突出した鍵状である必要はなく、角ばった隅や突出部を回転防止部として有して固定体５１に対する相対回転をしない構造であればよい。
【００９４】
図７は、ねじれセンサ装置１の両端の固定状態を説明する図である。
【００９５】
本実施例によれば、延長ビーム４の一端に固定される第１固定部材５７は、延長ビーム４と相対運動しないように固定される。一方、延長ビーム４の他端に固定される第２固定部材５９は、上述したキー部材が固定体に対して摺動自在な構造で形成され延長ビーム４と固定されない。
【００９６】
第１固定部材５７は、第２固定部材５９とは異なる構造であってもよく、第２固定部材５９と同様な構造であるが、キー部材５５が固定体５１に対して位置固定されて摺動しない構造であってもよい。
【００９７】
図７に示されたように、測定対象が曲げ変位をするとき、第２固定部材５９のキー部材５５が第２固定部材の固定体５１に固定されていない。このため、第２固定部材５９のキー部材５５は、第２固定部材５９のスリット５３上で摺動する。
【００９８】
その結果、測定対象が大きく曲げ動作をしても、ビーム４の曲げ変位は最小化する。ビーム４の両端に作用するせん断力などのような要因がＦＢＧセンサ１のねじれ変位に影響を与えることを防止することができ、且つセンシング部１６が測定対象に密着した状態を保持することができる。
【００９９】
図８は、ＦＢＧセンサ装置１００を使用して得たビームのねじれ角度−波長変化量についての実験データを示したグラフ図である。
【０１００】
図８に示されたように、ねじれセンサ装置１００は、１°のビームのねじれ角当たりに約２．１ｐｍのねじれ変位を有する分解能を有し得る。これは、単に実験的結果に過ぎず、式１及び式２に基づいてビームの規格を設計すると、ねじれセンサ装置の分解能を調節することができる。また、既に製作されたねじれセンサ装置が測定対象のねじれ運動を測定することができない場合、装置全体を再度製作する必要がなく、ビームを再度設計して問題を解決することができる。
【０１０１】
本明細書では好適な実施例について図示し説明したが、本明細書は上述した特定の実施例に限定されるものではなく、請求の範囲で請求する要旨を逸脱することなく当該明細書が属する技術分野における通常の知識を有する者によって多様な変形実施が可能であることは勿論であり、このような変形実施が本明細書の技術的思想や展望から別個のものに理解されてはならない。
【０１０２】
（産業上の利用可能性）
全世界的に多様な分野でロボットに対する需要が増加している。特に、関節のないロボット（エコンデ、軟性内視鏡ロボット、ｓｎａｋｅ  ｒｏｂｏｔなど）に対する需要があるが、このようなロボットの正確な性能を測定するためには、当該ロボットのねじれを測定することが必要である。
【０１０３】
また、仮想現実の発展と市場拡大に伴い、より精密なモーションセンサを製作するために、モーション測定対象のねじれを測定することもまた必要である。
【０１０４】
したがって、本発明の実施例は、前述したロボット及びモーションセンサの分野で活用度が高いものと予想される。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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