(57)【要約】【課題】分布されたセンサを備え、それらのセンサの出力から部材の完全な形状を計算によって見出すというやり方で部材の形状変化が該センサによって感知される改良されたフレキシブル部材又は基準プラットフォームを提供する。【解決手段】測定デバイスは、空間における幾何形態に対応するデータを提供する。このデバイスは、少なくとも１つの自由度で曲がることができるフレキシブルで追従的な測定部材の形であって、この部材は中間軸又は中間面に沿って延伸する。該部材は、その上に知られた場所で分布された間隔をおいたたわみセンサを有し、それらのセンサは、知られたセンサ間隔で分離され、上記場所に存在するたわみの局所的状態を示すたわみ信号を提供する。上記部材は、多数の成形ファイバ、即ち形付けされたファイバを含み、これらのファイバは、たわみセンサとなる感知部分を有する感知ファイバを含み、該異なるファイバの感知部分は上記部材に沿って異なる距離に位置してセンサ間隔で隔てられる。上記成形ファイバは、互いに連続的に又は反復する接触などによって互いに支持する関係にある。このようなファイバは上記部材の大部分又はすべてを構成する。【選択図】図１２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空間における幾何形態に対応するデータを提供する測定デバイスであって、前記デバイスは少なくとも１つの自由度で曲がることができるフレキシブルで追従的な測定部材の形であり、前記部材は中間軸又は中間面に沿って延伸すると共に、間隔をおいたたわみセンサ（１０）を有し、それらのセンサは、知られたセンサ間隔で分離されると共に、前記部材上の知られた場所を有する感知部位に分布されて、前記場所に存在するたわみの局所的状態を示すたわみ信号を提供する測定デバイスにおいて、
該測定部材は多数の成形ファイバを含み、前記成形ファイバは、該部材の中間軸又は中間面がそれぞれ真っ直ぐ又は平坦であるとき一般に真っ直ぐでなく、前記成形ファイバは、前記たわみセンサ（１０）となる感知部分を有する感知ファイバを含み、異なるファイバの感知部分は、前記センサ間隔で隔てられた前記感知部位に位置すべく、前記部材に沿って異なる距離で位置し、該測定部材の全体的な形は、構成するファイバの形に基づいて、単独で又はそれらが互いに連続的に若しくは反復的に接触することによって実質的に維持されて該部材の強度又は安定性が得られることを特徴とする測定デバイス。
【請求項２】
前記成形ファイバは、各ファイバが該部材の長さに沿って他の前記ファイバと連続的に又は反復的に結合することによって互いに支持していることを特徴とする請求項１記載の測定デバイス。
【請求項３】
前記成形ファイバは、そのうちの少なくとも大部分が実質的に該部材の全長を延伸することを特徴とする請求項１記載の測定デバイス。
【請求項４】
前記成形ファイバは、そのうちの少なくともいくつかが実質的に該部材の全長を延伸することを特徴とする請求項１記載の測定デバイス。
【請求項５】
前記成形ファイバは、実質的にすべてが該部材の全長を延伸することを特徴とする請求項４記載の測定デバイス。
【請求項６】
前記成形ファイバは、そのうちのいくつかだけが該部材の全長を延伸し、前記部材はテーパが付いていることを特徴とする請求項１記載の測定デバイス。
【請求項７】
該部材は、その剛性が実質的に前記成形ファイバ全体の剛性より大きくないことを特徴とする請求項１記載の測定デバイス。
【請求項８】
前記成形ファイバは、該部材の引っ張り強度の大部分を与えることを特徴とする請求項１記載の測定デバイス。
【請求項９】
前記部材は実質的に全体が前記成形ファイバで構成され、前記ファイバは、前記感知ファイバ、及び基準ファイバ又は照明ファイバ又は光帰還ファイバとして用いられる他の光ファイバ（１０４，１０５，５００）を含む光ファイバ（１０４，１０５，５００）であることを特徴とする請求項１記載の測定デバイス。
【請求項１０】
前記成形ファイバは、光ファイバ（１０４，１０５，５００）であり、該ファイバの感知部分は、外側表面の区域がそのようなファイバに沿って通過する光に対して吸収性にされることによって、その屈曲状態を感知するようになった損失ゾーン（１１３，１１４）であることを特徴とする請求項１記載の測定デバイス。
【請求項１１】
前記成形ファイバは、前記部材の曲げと捻れによって抵抗が変化される軸方向ゾーンを有する電導体であることを特徴とする請求項１記載の測定デバイス。
【請求項１２】
前記成形ファイバは、選ばれた隣接ファイバ間で容量結合を可能にする軸方向ゾーンを除いて、互いに電気的に遮蔽された電導体であり、該結合は、前記部材の曲げと捻れによって変化することを特徴とする請求項１記載の測定デバイス。
【請求項１３】
前記成形光ファイバ（１０４，１０５，５００）は、熱処理又は類似の処理によって真っ直ぐでない形を維持するファイバを含むことを特徴とする請求項１０記載の測定デバイス。
【請求項１４】
前記部材は、前記成形ファイバから作られるサイクリックな構造として形成され、これらのファイバは、前記部材に沿って反復するパタンで分布される感知部位を前記部材に設けることを特徴とする請求項１記載の測定デバイス。
【請求項１５】
前記ファイバの感知部分は、そのうちの少なくともいくつかが前記中間軸又は中間面に斜めに向いており、それにより前記部材は、該部材の曲げに応答する感知部分と同様に該部材の捻れに応答する感知部分を有することを特徴とする請求項１記載の測定デバイス。
【請求項１６】
前記測定部材は、サイクリックに反復する屈曲を有するように形成され、この屈曲は該部材の長さに沿った位置と方位の測定の結果として該感知ファイバによって測定される延伸可能性を与えることを特徴とする請求項１記載の測定デバイス。
【請求項１７】
前記ファイバは、サイクリックに反復するカーブを有し、該カーブは、該測定デバイスの屈曲の際に各カーブ内でサイクリックに反復する反対の変形の対を局所的にとり、該デバイスの拡がりの全体に沿ったファイバの正味の伸び又は圧縮に実質的に変化がなく、それによりファイバの全長に沿った全体としてのスリップなしに前記屈曲が起こり得ることを特徴とする請求項１４記載の測定デバイス。
【請求項１８】
前記ファイバはサイクリックに反復するカーブを有し、それらの上に配置される前記損失ゾーン（１１３，１１４）は、光スループットを該デバイスの屈曲によって変調する効果があり、該反復するカーブの形は、損失幾何形状が該デバイスの位置と方位を示す光の変調を生ずるように、該デバイスに対する光損失の所望の周方位及び軸方向位置を生ずることを特徴とする請求項１０記載の測定デバイス。
【請求項１９】
該高められた損失が、該ファイバが真っ直ぐで一様であるときは、損失ゾーン全体に沿って光を一様に損失する前記損失ゾーン（１１３，１１４）の一方の単数又は複数の軸方向部分にのみ起こることを特徴とする請求項１８記載の測定デバイス。
【請求項２０】
前記損失ゾーン（１１３，１１４）の一方は、ファイバが真っ直ぐで一様であるときに、該ファイバ上の細い軸方向バンドであることを特徴とする請求項１９記載の測定デバイス。
【請求項２１】
前記損失ゾーン（１１３，１１４）の前記一方は、ファイバが真っ直ぐで一様であるときに、該ファイバ上の周方向バンドであることを特徴とする請求項１８記載の測定デバイス。
【請求項２２】
所定のファイバの損失の大部分が、サイクリックに反復するカーブと同じ空間周波数で該デバイスに沿った反復する間隔で同じ周方位に起こり、該反復する損失ゾーン（１１３，１１４）を用いて空間的に分布された感知ゾーンを生成して前記ゾーンに沿った曲げと捻れの平均読取値を捕捉することを特徴とする請求項１９記載の測定デバイス。
【請求項２３】
該部材は、前記成形ファイバで大部分が作られたロープ（１００）の形であり、それらの成形ファイバは、らせん状であって前記ロープ（１００）の紐となることを特徴とする請求項１４記載の測定デバイス。
【請求項２４】
前記ファイバは、該部材の引っ張り強度の一部を与える中心コア（１０７）のまわりに巻かれていることを特徴とする請求項２３記載の測定デバイス。
【請求項２５】
該ロープ（１００）は、そのうちの少なくとも一部分に前記部分間の該ロープ（１００）の部分の捻れよりも大きい高められた捻れが与えられることを特徴とする請求項２３記載の測定デバイス。
【請求項２６】
該高められた捻れを有する部分は、該高められた捻れを有する部分内にある任意の１つのファイバのらせん形の完全な一回りが占める長さ、又は前記長さの整数倍に等しい軸方向距離を占めることを特徴とする請求項２５記載の測定デバイス。
【請求項２７】
前記ファイバは、１つの方向にらせん状に巻かれた第１のファイバの組と、反対の方向にらせん状に巻かれたファイバの組とを含み、該２組のファイバは、互いに織り合わされて前記部材は編まれた構造の形になることを特徴とする請求項１記載の測定デバイス。
【請求項２８】
該部材は、長手方向寸法を有するリボン（９９）の形であり、前記成形ファイバは、該リボンの面内で並んで結合された曲がりくねったファイバを含み、該部材は、その長さに沿っての曲げであって、該リボン（９９）の平面内にあると共に、該部材の長手方向寸法に直角である軸のまわりの曲げに実質的に限定され、他方該部材はまた捻れることが自由であることを特徴とする請求項１記載の測定デバイス。
【請求項２９】
請求項２８記載のリボン（９９）の複数から成る測定デバイスであって、構成するリボン（９９）は、それらの曲がりくねりが交互の波長で織り合わされていることを特徴とする測定デバイス。
【請求項３０】
前記リボン（９９）は、らせん形に巻かれていることを特徴とする請求項２８記載の測定デバイス。
【請求項３１】
前記センサは、測定されるボディーの特徴との知られた関係で巻かれ又は曲げられており、該センサの巻き及び曲がりの数学的モデルを用いて、測定されているボディーの数学的モデル上に同様の特徴を見つけて評価することを特徴とする請求項１記載の測定デバイス。
【請求項３２】
該部材は、前記成形ファイバで大部分が作られる織られた又は編まれた織物の形であることを特徴とする請求項１４記載の測定デバイス。
【請求項３３】
前記部材は、第１の方向に延伸する前記成形ファイバの第１の組と、前記第１の組のファイバに交差して延伸すると共に、該第１の組のファイバと織り合わされるか又は組み合わされる前記成形ファイバの第２の組とから作られるフレキシブルなシートの形であることを特徴とする請求項３２記載の測定デバイス。
【請求項３４】
該部材は、前記第１の組のファイバである縦糸と前記第２の組のファイバである横糸とで形成される織られたシートの形であることを特徴とする請求項３３記載の測定デバイス。
【請求項３５】
該部材は、前記成形ファイバから形成される編まれたシートの形であることを特徴とする請求項３３記載の測定デバイス。
【請求項３６】
各成形ファイバが前記感知部分のうちただ１つ有することを特徴とする請求項１記載の測定デバイス。
【請求項３７】
前記ファイバは、逆転するループを有する光ファイバ（１０４，１０５，５００）であり、該ファイバは、ループの領域におけるそれらの屈曲状態を感知することを特徴とする請求項１記載の測定デバイス。
【請求項３８】
空間における幾何形態に対応するデータを提供する測定ツールにおいて、
フレキシブルで追従する測定部材が中間軸又は中間面に沿って延伸すると共に、少なくとも１つの自由度で曲がることができ、前記部材は、前記部材上に分布された知られた場所にあると共に、たわみセンサ間隔で分離され、前記場所に存在するたわみの局所的状態を示すたわみ信号を提供する間隔をおいたたわみセンサ（１０）を有し、
センサ・データ処理手段が、該たわみセンサ（１０）と結合され、それらからたわみ信号を受信して３次元空間における該部材の幾何形態についてのデータを与え、前記データ処理手段は、該たわみセンサ（１０）によって提供されたたわみ信号とそのようなセンサの間隔とから該部材の幾何形態を内挿又は外挿することによって動作し、
さらに、該測定部材は、多数の成形ファイバを有し、前記成形ファイバは、該部材の中間軸又は中間面がそれぞれ真っ直ぐ又は平坦であるとき真っ直ぐでなく、前記成形ファイバは、前記たわみセンサ（１０）となる感知部分を有する感知ファイバを含み、異なるファイバの感知部分は、前記センサ間隔で位置すべく、前記ファイバに沿って異なる距離で位置し、前記成形ファイバは、互いの連続的な又は反復的な接触などによって相互に支持する関係にあって、該部材の強度又は安定性に実質的に寄与し、該測定部材の全体的な形は、構成するファイバの形に基づいて、単独で又はそれらが互いに連続的に若しくは反復的に接触することによって実質的に維持されて該部材の強度又は安定性が得られることを特徴とする測定ツール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、センサ技術に関する。詳しくは、本発明は空間における物体の幾何学的な位置と形態を測定するツール又はデバイスに関する。本発明は特にロボット工学への応用及びヒトの幾何形状と運動のモニター又は測定に適する。このうち好ましい応用は、特に、人体による運動のモーション・キャプチャーによって実現されるアニメーションの分野にある。
【０００２】
【従来の技術】
空間における物体の位置、向き、及び表面形状を測定するためにいろいろな方法が用いられてきた。
【０００３】
ロボット工学の分野では、一連の硬い連結されたエレメントで形成されるフレキシブルな部材の空間における場所を、それらのような連結エレメントを結合するいろいろなジョイントに生ずる回転の角度を測定することによって決定するやり方は公知である。
【０００４】
フレキシブル部材における回転は、その部材の長手方向の拡がりに直角な方向の曲げ、及びその部材の長手方向の拡がりと合致する軸のまわりに起こる捻れ、を含む。この両方のタイプの運動又は変形が「たわみ」と呼ばれる。
【０００５】
捻れは、大きな断面寸法を有する円柱、ロッド、その他の固体に基づいたセンサ構造では通常無視できる。しかし、フレキシビリティを有するロープ状の細長いフレキシブル部材では捻れの存在を測定することが非常に有益となることがある。このような部材は、衣服に組み込むのに非常に好適である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明の第１の目的は、分布されたセンサを備え、それらのセンサの出力から部材の完全な形状を計算によって見出すというやり方で部材の形状変化が該センサによって感知される改良されたフレキシブル部材又は基準プラットフォームを提供することである。
【０００７】
本発明の第２の目的は、十分に追従的であってカーブした物体の表面に実質的に合致して、その表面の形状について電子的に処理できるデータを提供するセンサとして働く計器つきのフレキシブル部材を提供することである。
【０００８】
物体におけるたわみ−曲げと捻れ−の状態を測定するためのいろいろなセンサがあり、これらには、光ファイバや導電性の金属ファイバ、すなわちワイヤなどが含まれる。この目的に特に適した好適なセンサのクラスはファイバ光学に依存している。
【０００９】
リー・ダニッシュ（Ｌｅｅ Ｄａｎｉｓｃｈ）の米国特許第５，３２１，２５７号は、外側ファイバ表面の一部、特に外側ファイバ表面の選択された一方の側に、光を吸収する領域を設けた変型光ファイバを記載している。変更された領域の曲率がファイバの全体的な光伝送容量の変化として遠隔的に検出されることによってこの領域が曲げセンサとなる。以前のこの特許は、図１２に、変型ファイバのクラスターを展開配置して３次元空間の特定の場所における曲げを検出できるようにしたものを記載している。関連したファイバ端はすべて一端で多重ファイバ光源、光感知及び信号処理装置に結合できる。これらのような変型ファイバ、又はいわゆる「曲げ強調ファイバ」は前記の’６７２特許で参照されている。
【００１０】
また、上記の米国特許第５，５３１，２５７号は、また、平行して取り付けられた３つの光ファイバ・センサを開示している。これらのセンサは、別々の方向の曲げを感知し、たわみにおける多くのＤＯＦｓでの曲げを分解するのに用いられる。しかし、以前のこの特許は捻れを扱う方法を何も示唆せず、そのため、この’２５７特許で特許を受けたセンサの方法では、捻れによって読取値にあいあまいさを生じたり、捻れが検出不可能になったりする。したがって、この特許は、たわみの測定のみに基づいて長手方向に延伸する構造の位置と向きを完全に決定するという問題に対処できない。
【００１１】
この単純な構造のもう１つの問題点は、３つの真っ直ぐなファイバを曲げたときに、曲率半径の違いによって、あるものは延伸し、あるものは圧縮され、そのために測定に相当な誤差が生ずるということである。
【００１２】
この主題に関する本発明者の「積層ビーム・ループ」という表題の別の論文が、１９９６年の「ＳＰＩＥ」第２８３９巻の第３１１〜３２２頁に刊行されている。この論文、上記の米国特許、及び公開されたＰＣＴ出願ＰＣＴ／ＣＡ９４／００３１４の内容はすべて参照によって本明細書に組み込まれる。
【００１３】
光ファイバ・センサは、ファイバの配置及びファイバに沿って処理されたファイバ表面の光吸収領域の位置に基づいて、曲げ、及び前記’６７２特許記載の発明にしたがって捻れを測定することができる。所望の感度及びファイバの寸法によるが、ファイバの感受領域は、３ミリメートルのオーダーから幾センチメートル、例えば３０ｃｍにわたる走行長さ内に収められる。これに対応して光ファイバの感受領域の曲率の平均的状態をサンプリングするスパンが決まる。
【００１４】
光ファイバ・テクノロジーは、堅牢であり、無害であり、安価なので、センサに利用するのに好適である。前記の’６７２特許は、曲げセンサ及び捻れセンサを組み込んだいろいろな形態の測定ツールを記載しており、その中で好ましい形態として、空間における物体の位置、表面の形状、及び表面の形状の変化についての遠隔情報を提供できるファイバ光学に基づいたセンサ・システムがある。しかし、’６７２特許はファイバ光学に基づいたセンサに限定されない。同様に、本発明は主としてファイバ光学センサに関連して説明されるが、そのようなセンサを用いるシステムに限定されない。
【００１５】
’６７２特許の発明は、１つの態様によると、以下の特徴を備えた形状及び位置測定ツールである。すなわち、
１．追従的な基準表面を有し、３次元空間におけるにおいて形状的であるように、少なくとも２つの自由度での曲げが可能である長手方向に延伸するフレキシブルな基体と、
２．間隔をおいた複数の曲げセンサ手段と間隔をおいた複数の捻れセンサ手段であって、前記複数のセンサ手段はそれぞれ結合されていると共に、基体の長手方向の拡がりに沿ってそれぞれ知られた曲げセンサ配置間隔及び捻れセンサ配置間隔をおいた特定離散位置に配置され、曲げセンサ手段及び捻れセンサ手段が基体に結合されているそれぞれの場所で基体に存在する曲げと捻れの局所状態を示すたわみ信号を与える複数のセンサ手段と、
３．曲げセンサ手段及び捻れセンサ手段と結合され、それらから信号を受け取り、３次元空間における基体の基準表面の幾何形態についてのデータを提供するセンサ・データ処理手段とを備え、
センサ・データ処理手段が動作して、各位置の曲げセンサ手段と捻れセンサ手段から与えられるたわみ信号から導出される曲げ信号及び捻れ信号と、各センサ手段の配置間隔とから基体の幾何形態を決定することを特徴とする形状及び位置測定ツールである。
【００１６】
上述のように、’６７２特許の形状測定ツールは、基体の特定位置に曲げセンサ及び捻れセンサを担持するフレキシブルな基体を含んでいた。基体には、リボン（図５，６，８）、ロープ（図７）が含まれていた。長さも幅も相当に大きな平面アレーを含めたシート状の基体、例えば「キーボード」タイプのデバイスも考えられていた。
【００１７】
本発明は同様な原理に基づいているが、たわみセンサを支持し配置するための基体を省略又はその存在を最小にしている。
【００１８】
以下、本発明を、最初にその一般的な形で記述し、次に個別的な実施の形態という形でその実施を図面を参照して詳しく説明する。これらの実施の形態は、本発明の原理、及びその実施の仕方を説明するためのものである。次に、この明細書の特許請求の範囲の各項で、その最も広い具体的な形態を記述して明確にする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
’６７２特許に記載されたものと同様なフレキシブル部材であるが、センサとなるファイバの他には基体が何もないか、又は最小限の基体しかないものを構成することが可能であり、場合によっては有利であることが分かった。
【００２０】
したがって、１つの様態で、本発明は、空間における幾何形態に対応するデータを与える測定デバイスを提供するものであり、この１つの様態におけるデバイスは、少なくとも１つの自由度での曲げが可能で、フレキシブルで、且つ追従的な測定部材の形であって、この部材は中間軸又は中間面に沿って延伸し、間隔をおいたたわみセンサが、部材上で知られた位置を有し、且つ知られたセンサ配置間隔で離間されている感知部位に分布配置されて、上記感知部位に存在するたわみの局所的状態を示すたわみ信号を与える。
【００２１】
１つの実施の形態によると、該測定部材は、以下説明する多数の成形ファイバを含み、この成形ファイバは、前記たわみセンサとなる感知部分を有するセンサ・ファイバを含み、異なるファイバの感知部分は、前記部材に沿って異なる距離にある感知部位にあって前記センサ配置間隔で配置され、前記成形ファイバは相互に支持する関係にあり、測定部材全体の形は構成するファイバ自身の形によって、又はそれらが互いに連続的又は反復して、接触して部材の強度や安定性を強化することによって実質的に維持される。ファイバは、例えば編み込んだり絡ませたりして、互いに連続的又は反復的に結合されて、寸法を安定させることができる。あるいはまた、ファイバは十分に硬く、ファイバ同士の接触なしで自立するようにしてもよい。デバイスの「形態」は、感知部分を含むファイバの組織と配置を意味し、測定デバイスが全体としてフレキシブルであり、空間におけるいろいろな形状に合わせることを可能にしている。
【００２２】
このようなファイバは、好ましくは、斜めに展開又は形成される。その意味は、それらの感知部分が部材自体の拡がりに対して斜めに向いているということである。
【００２３】
本明細書で用いる「ファイバ」という用語は、主に軸方向に拡がっている部材のエレメントを意味し、その経路は、数学的に定められた曲げと捻れを有する明確に定められた数学的実体である空間曲線によって記述される。「ファイバ」という用語は、多角形断面のエレメントを含む。
【００２４】
ファイバに対して「斜めに形成された」又は感知部分に対して「斜めに向いた」という用語は、真っ直ぐでないこと、又は部材の中間軸又は中間面が真っ直ぐ又は平坦であるときに部材の中間軸又は中間面にそろっていないこと、すなわち部材全体が真っ直ぐ又は平坦であるときにファイバが２次元的又は３次元的な形態を有することを意味する。これらの成形ファイバは、普通、サイクリックな、つまり繰り返しのパタンで展開配置される。成形ファイバは、光ファイバのように変形されながら熱処理されて恒久的な形状を有するようになったファイバであるか、又は、単に、例えばロープの形に捻られたり、織物に編み込まれたり織り込まれたりしたために真っ直ぐでなくなったファイバである。
【００２５】
成形ファイバは、本発明に関して次のように有用な性質がある。
【００２６】
ａ）成形ファイバは、ファイバ間で、ファイバによって構成された部材に沿っての繰り返し接触又は繰り返し結合によって互いに支持する能力がある。１つ以上の自由度での部材のたわみにもかかわらず互いに支持するこの能力は、曲げと捻れの両方の大きな角度範囲にわたって存続することが好ましい。部材に一体的な構造を付与するファイバ間の相互支持は本発明の部材を以下のものから区別する。
【００２７】
１）ばらばらのファイバの単なる束、及び
２）接着剤によって非平面的な束に保持された多数の真っ直ぐなファイバ
ｂ）成形ファイバは、サイクリックな構造、すなわち繰り返しパタンのある構造、例えば、隣接する波形のファイバで形成されるロープ、リボン、及び織られたり編まれたりした織物タイプの構造を容易に形成する。そのような構造はサイクリックに繰り返されるカーブを有し、それは測定デバイスの屈曲の間に各カーブ内で局所的に対向する歪みのペアがサイクリックに繰り返されるという形をとり、デバイスの全長に沿ったファイバの正味の伸び又は圧縮には実質的に変化がなく、それによって前記屈曲はファイバの全長に沿って全体にスリップを生じることがない。好ましくは、ファイバは、損失ゾーンが各ファイバに沿って周方位と軸方向位置を有する光ファイバであって、上記の方位と軸方向位置が、デバイスに関してファイバに形成されたカーブから生ずる光損失に所望の周方位と軸方向位置を生じて、損失ジオメトリーがデバイスの位置と向きを示す光の変調を生ずるようになっている。
【００２８】
ｃ）成形ファイバから作られる構造は、局所的にも全長にわたっても互いを越えて大きくスリップすることなく、部材に沿った軸方向にファイバが実質的に正味の伸びや圧縮を生ずることなく、大きな範囲にわたって曲げと捻れでたわむことができる。ロープで用いた場合、１つのファイバの外に向いたウエーブは張力の下で延びる一方、同じファイバの内に向いたウエーブは縮んで、正味の伸びはゼロになる。局所的なスリップは最小であり、接着剤を用いる場合は何を用いても接着剤の弾性限界内になるように設計することができる。
【００２９】
本発明の２次元の（フラットなときの）形態の１例として、多数の成形ファイバを波状のリボン（その面内で波状）の形態にしたものを測定器具として用いることができる。このようなリボンは、動くボディーに固定され、バックリングを起こすことなく運動を追従することができる。なぜなら、成形されたウエーブは、リボンの面内で全長にわたってわずかに曲がることができ、もってボディーの中立軸の外側での測定に内在する長さの差を吸収することができるからである。ウエーブなしのリボンを同様に取り付けた場合、軸方向の圧縮の際にリボンのバックリングを生ずる。ウエーブはまた、捻れの感知を可能にするが、ファイバの縒れが純粋に軸方向である場合には不可能である。
【００３０】
部材が波形又はサイクリックな形である場合の本発明の別の態様は、たわみが、成形された形状、例えばらせん形状のうち隣接するサイクルの間の近接度（エッジからエッジまで）とレジスター（ファイバの軸方向での軸方向場所変化相対位置）の変化になる。このことは、部材全体にわたってサイクリックな方法で生じ、ファイバの長さに全体としての変化はない。
【００３１】
ｄ）本発明による成形ファイバは、部材の軸方向又は面に対して斜めに向いている感知部分を有するので、捻れを感知する能力を提供する。適当な構造が感知部分を含む限られたスパンにわたって存在する余分な捻れを有するワインドアップ／ワインドダウン部分を部材に持たせることによって、捻れに対して特に敏感となる。このような構造は、余分な捻れ部分を調整することによって、曲げに対する応答が最小であるように合わせられる。ファイバの捻れ感知部分は、部材の中間軸又は中間面に対して４５度に向けられた場合、最大の応答を与える。
【００３２】
ｅ）本発明は、成形中のファイバを処理して、与えられた形が処理されたゾーンに部材内での所望の３次元角度方位と部材の屈曲に対する二極的な応答を付与するようにする手段を提供する。同じゾーンが真っ直ぐかつ平坦な場合には軸方向方位のみを有し、屈曲に対する一極的な応答をするときであっても、こうなるようにすることができる。
【００３３】
状況によっては、成形ファイバのすべてが実質的に部材の全長に延伸する。実際には、部材を完全に又は大部分的に成形ファイバから構成して、部材の剛性をファイバの総合の剛性の大きさよりも実質的に大きくないようにすることができる。同様に、成形ファイバが部材の引っ張り強度の大部分を与えるようにすることができる。特別な場合、センサ・ファイバである、すなわち感知部分を有する成形光ファイバが部材の大きな部分、又はほぼ全体を構成することもある。
【００３４】
この開示では、サイクリックな構造が、サイクリックな形とファイバ上のセンサに要求される機能との間の有利な相互作用を可能にするということが示される。構造が上のａ）におけるように互いに支持し合うものでなく、むしろ比較的硬くて、構造が端の支持による相互関係で保持されているサイクリックなファイバのグループである場合でも、これらのような利点がある。一例は、共通の中心軸を有するらせんばねのような３つのらせんであって、端で、例えば円板状のプレートによって保持されているが、互いに接触しないものである。このような構造は、曲がることも捻れることもでき、上にセンサを配置するための改良されたプラットホームになる。これらの構造は、一部分が、成形ファイバの少なくとも大部分が実質的に部材の全長を延伸して、部材の強度に大きく寄与しているという事実により従来の技術に対して区別され、ある変形例では、構造的な一体性を維持するためにファイバ以外の構造が何も必要とされない。
【００３５】
場合によっては、センサ・ファイバを含めて成形ファイバが細長い部材の大部分又は全部を構成しているが、すべての成形ファイバが全長を延伸する必要はない。その結果、テーパが付いた部材ができて、各ファイバは部材に沿って丁度必要なだけ、曲げ又は捻れを感知することが要求される点まで延伸する。
【００３６】
一般に、部材は細長く、センサは部材に沿って間隔をおいて前記の場所にある。曲げだけでなく捻れも測定するために、センサを構成する少なくともいくつかのファイバの部分は、部材の長手寸法に対して斜めに向いており、好ましくは細長い部材の場合は部材の中間軸に対して４５度に向いている。しかし、部材がフレキシブルなシートの形であり、センサがそのシートの全体にわたって間隔を置いていることもある。このような場合、少なくともいくつかのファイバの感知部分は、互いに対して、又は部材の面に対して斜めに向いている。
【００３７】
細長い部材の場合、本発明は、細長い部材に沿って複数の間隔で曲率をサンプリングすることによって働く。本発明は、部材に沿って知られた間隔で配置されたたわみセンサの位置を隣接するセンサの位置と相互参照することによって、すべてのセンサの互いに対する位置を知る。
【００３８】
曲げは、部材の性質によって、部材の長手方向と直角な１つ又は２つの軸のまわりで測定できる。すなわち、ロープ状の形の測定部材は、直接又は間接に、２つのこのような軸のまわりで曲げを感知することを必要とするだろう。
【００３９】
限られた自由度でのみ変形できる部材を用いることによって、必要なセンサの数を減らすことができる。好ましい形態では、部材は、一連のファイバ、例えば光ファイバを並べて結合して構成されたリボンの形になる。このような場合、曲げセンサがリボンのたわみを許された曲げモードで測定するために必要な唯一のセンサであろう。これによって単位長さあたり必要な曲げセンサの数が減少する。
【００４０】
リボンは、リボンの長手方向に直角でリボンの平面内にある軸のまわりでの長さに沿った曲げに実質的に限定されるものである一方、リボンはその長手方向のまわりで捻れることが自由なままである。したがって、リボンに沿った１つの場所で曲げを測定するためには１つの曲げセンサで十分である。リボン状の部材の幾何形態を完全に確定するには、リボンの長さの長手方向拡がりに沿って知られた間隔で配置された捻れセンサによって捻れも測定する必要がある。このような曲げセンサ及び捻れセンサは、互いの間に入れるようにしても、リボンに沿った同じ位置に配置されてもよい。これらのタイプのセンサの間の比率は厳密な１：１の比からずれてもよい。さらに、多くの場合、各個別センサは、２つ以上の自由度に、例えば２つの曲げの自由度と１つのねじれの自由度に応答し、自由度は、同様の領域にあるすべてのセンサを含む数学的な演算によって別々に決定される。
【００４１】
部材が曲げセンサと捻れセンサの両方を用いるリボン状の形態である場合、それでもやはり、運動の自由と、３次元空間におけるリボンの幾何形態の追跡とが可能である。これは、リボンの捻れる能力が、リボンの部分が空間においてどんな方向にでも向きを変えることを可能にするからである。
【００４２】
また、本発明の細長い形態は、リボン・タイプの形式で組み合わされたファイバから成る計器付き平面ファイバ・テープを、弾性材料のたわみ円筒、例えばホースの外側又は内側にらせん状に貼り付けることで実施することもできる。ホース状の担体を用いる場合、センサ通信はコアを通ることができる。担体が部材の強度又は安定性に寄与する一方、ファイバの感知部分が斜めに向いていることで曲げと捻れの状態を部材の長さに沿ってモニターすることができる。このような場合、ファイバ・テープは、複合部材の全体の強度又は安定性に大きく、好ましくはより大きな部分に寄与する。管状の担体と一緒に用いられる本発明によるらせん状に巻かれたファイバ・テープ又はリボンの場合、逆向きに回るらせん成分を、例えばａ）編まれたロープという構造や、ｂ）時計回りに巻かれた層に反時計回りに巻かれた層を重ねるという構造で組み合わせることができる。これは構造の安定性をさらに高め、例えば、捻れに対する抵抗を高める。
【００４３】
本発明は、従来の形に比べて、ａ）ファイバが並んだリボンの場合のようにファイバが部材の中立軸上にあるか、又はｂ）ロープやチューブの形の場合のように、部材の曲がりの際に外に面したカーブは伸長し内に面したカーブは圧縮するという形で、ファイバが正味の延びなしで曲がり捻れるという点で改良されている。
【００４４】
上述のように、曲げセンサと捻れセンサが曲がりの状態を感受するようにされている光ファイバの感知部分である場合、部材又は部材の主要部分を構成する光ファイバは、通常、各ファイバ上にそのような感知部分をただ１つだけ有し、それらの位置は、部材上の適当な場所で曲がりを感知するように戦略的に配列される。しかし、光感知部分は、ある光波長に特異的であるようにされて、いろいろな波長を用いてそれらを区別する光源及び信号処理装置に結合させることもでき、そのような場合、各ファイバは、いくつかの光感知部分をその長さに沿って異なる位置に有して、異なる位置における曲げに関する情報を生成することができる。
【００４５】
リボンの場合は、リボンの長さに直角に伸びた軸のまわりでの曲げを示すように一般に束縛されているが、センサは、リボンの平面と平行に且つ長手方向に並んでいる光ファイバの部分であって、曲げ情報が必要とされる場所にある部分である。光ファイバの感知部分は、そのまわりで曲げが起こるはずの軸、例えばリボンの長さに対して直角の方向に伸びた軸を横切るように一般に並べられる。
【００４６】
リボン部材の信号処理の便宜のために、１つの場所における曲げと捻れの両方を、曲げ感知部分が互いに角度をなす方向に向いた２つの曲げセンサを用いて測定することができる。これらの曲げセンサは、ＰＣＴ出願ＰＣＴ／ＣＡ９４／００３１４（ＷＯ  ９４／２９６７１として公開）、及び前述の’６７２特許に記載されているようなループ光ファイバであっても、そうでなくてもよい。これらのファイバ対の感知部分の方向は、リボン部材の長手方向中間線から実質的に同じ角度だけそれた角度に、最大の効果のために好ましくは部材の長手方向に対して４５度に向いていることが好ましい。これにより、２つのファイバを用いて、それらの出力を処理して和信号と差信号を捻れ又は曲げの測定量として抽出することによって、１つの場所で曲げと捻れの両方を測定することが可能になる。基準角の向きは、信号処理を簡単にする。計算調整については、他の角度によって拡がったセンサ対からの曲げ値及び捻れ値が今まで通り規定可能であろう。センサは普通それらの直線的な範囲で動作するものであるから、計算には、高速自動計算にとって非常に受け入れ易い一次方程式の和と差が普通含まれる。
【００４７】
分布配置されるセンサのセットを組み立てることによって、たわみ感知領域を、支持ロープ部材やリボン状部材に沿うように直線に形成してもよく、またフレキシブルなシート状部材の面にわたって形成してもよい。センサ部分は、グループをなすと共に、曲げセンサ及び捻れセンサから成るか、又はシート形状を完全に記述可能な２元的な方向の曲げセンサから成ることができる。信号検知システムは、各センサ領域における屈曲部の状態に関するデータを用いて、センサ間の間隔を調べることによって、シートの形状の描写構成を実行することができる。シートが知られていない形の幾何学的表面と接触して配置されている場合には、シートや表面が少なくとも接触しているそのような面の形状を測定することができる。
【００４８】
すべての形態で、曲げセンサを捻れセンサと同じ場所に配置する必要はなく、且つ／又は、曲げセンサをそれらと異なる方向に向いた曲げを感知する仲間と同じ場所に配置する必要はない。それらは、部材に沿って、部材の形態を決定することを可能にする知られた間隔で分布配置されていれば十分である。
【００４９】
本明細書では、伸びを含まないたわみに多く言及しているが、部材に伸長が存在することを許してもよい。すなわち、本発明の１つの可能な形は、曲げと可能な捻れだけでなく、伸長も測定される、延伸可能な部材であろう。たわみセンサの間隔を知られたものとすることを保証ために伸長度を検出する必要がある。伸長センサは、伸長を感知する導電性エラストマーの部分を含むものになるだろう。便宜のために、そして追従性を向上させるために、伸長は長さの小さな増加に制限し、それを超えるとたわみが機能的に伸長できなくなるようにすることができるだろう。あるいはまた、「二重成形実施形態」では、その曲げと捻れを感知する損失ゾーンを有する成形ファイバを含む細長い形態のセンサ・ボディー（例えば、テープ、ロープ、ロッド、等）がさらに（例えば、熱処理により、又は接着剤で）成形されて、曲がりくねった経路を、例えばらせん経路を追従する。最終的に得られた２回成形部材の伸長と圧縮は、前記の曲げと捻れを測定して細長いセンサ部材のすべての部分の位置と向きを決定すると、その結果としてその形状のその他の詳細と合わせて測定される。
【００５０】
大部分又は全体が成形ファイバで構成される本発明の感知部材において、曲げと捻れの感知に最も有効な形態の１つはらせんである。らせんは、変形していない（曲がっていない）ときのその長さに沿って一定な曲げと捻れによって定められるサイクリックな３次元構造である。本発明の感知部材として他の有用な形態には、主に２次元構造であるループとウエーブが含まれる。サイクリックなたわみは、形状感知を利用できる多くの機会を提供する。
【００５１】
多くの構造がらせん形態に基づいている。良い例はロープである。ロープは紐に巻かれたファイバを含み、紐は巻かれてロープになる。紐からほどけようとするファイバの弾性的な性向に、ファイバが紐に巻かれるために用いられた方向と反対方向に紐がロープに巻かれることが対抗する。したがって、ファイバがほどけようとするとロープ内で紐がきつくしまるようになる。システム内の力とモーメントが平衡に達して部材の構造を維持する。らせん形態を利用している別の例としては、ワイヤやケーブルのらせん被覆があり、これは金属又はプラスチックの曲げられ捻られたバンドから構成される。
【００５２】
ロープ、及びその他のらせん形態は、同じような向きで繰り返すゾーンを与える成形ファイバから構成されるサイクリックな部材又はサイクリックなたわみの例である。これによって、ファイバのサブセットの大きなアレーの中で１つのセンサ・ファイバ（又は、知られた場所におけるファイバのペア、３つ組、若しくはそれ以上のサブセット）の拡がりに沿って曲げ又は捻れ感知を分布させることができる。単一のセンサ又はグループは、例えば軸に対して４５度の向きという繰り返す特性をもち、すべてのファイバがその向きを有する部材全体を構成することが要求されないようにすることができる。
【００５３】
たいていのサイクリック構造は、側方への相当な反りを許容しながらフレキシビリティを与える。これは曲がりくねったリボン、ロープ、及び織物にあてはまる（それぞれ、２Ｄ細長、３Ｄ細長、及び２Ｄ又は３Ｄ細長の、すなわち平面構造）。曲がりくねったすなわち波状のリボン、すなわちその面内で波状のリボンは曲がりくねったファイバを接着して作られるが、個々のウエーブはそれらの面内での曲げによって延びたり縮んだりできるので、ボディーのたわみの際に延び縮みできる。らせん状ロープは捻ってもっと大きならせんにすることができるし、曲がりくねったリボンも捻ってらせんにすることができる。サイクリックな構造によって得られる側方への反りは、センサが別のボディー、例えば形状を感知しようとするフレキシブルな内視鏡を囲まなければならないか、若しくはその構造内にワイヤや戻りファイバなどのエレメントを担持しなければならないとき、又はセンサが多数のファイバやワイヤを有しそれらがかさばるときに有効である。フレキシビリティと側方へ反れる可能性との組み合わせは、曲がりくねった、ループ状、及びらせん状の構造で高度に利用できる。
【００５４】
ロープと織物は、任意の表面に合わせるために何千年も前に発明されたものであり、少なくともその一部がセンサ・ファイバである成形ファイバを用いるセンサ構造に関してここで示されるものと同じ波形、ループ、らせん、編み紐、及び織られた又は編まれたエレメントを用いている。別の基体なしに相互関係を介して感知部材を形成するサイクリックに繰り返す、曲がりくねったファイバを使用することで、真っ直ぐなファイバをフレキシブルな基体に取り付ける場合に比べて顕著な改良が実現される。例としては、ファイバに沿って感知機能を有するロープや織物がある。
【００５５】
センサ・ファイバ（光ファイバ、ワイヤ等）が中立軸にある場合を除き、ある程度のスリップがファイバの間、及びファイバの他に使用される任意の基体の間で起こることを許容しなければならない。さもないと曲げ及び捻れ感知に影響が出るだろう。この理由は、いかなる非伸長／非圧縮たわみが他の同様なたわみに対峙していたり、載っていたりする場合、両方が曲げられるときに長さの変化を調整しなければならないからである。両方のたわみは、一方が他方の上でスリップできる場合に限り、同じ曲率半径をとることができる。スリップが生ずることが許されない場合、一方のファイバが最も弱い取付箇所で圧縮によって挫屈するか、又は、面内の曲げがファイバの捻れ又はファイバの面外の曲げに変換される。この問題は、部材をファイバ自身によって、余分な基体なしに形成することによって大体回避できる。
【００５６】
本発明の主な特徴といくつかのオプションの態様を上で要約した。本発明は、以下の図面と合わせた好ましい実施の形態の説明によってさらに良く理解されるであろう。
【００５７】
【発明の実施の形態】
図１は、硬いリンク２が平行な軸を有するジョイント３で結合された形をしている従来技術のメカニズム１を表す。したがって、このメカニズム１は１つの平面内で自由に動き曲がることができる。それは一端で基準点４に固定され、その他端にはエンド・エフェクタ５を有する。すべてのジョイント３に備えられたセンサ（不図示）はジョイント３の角方位に関する情報を与える。
【００５８】
センサからの信号を処理して各リンク２の長さを知ることによって、エンド・エフェクタ５までの距離及び空間におけるその位置を基準点４に対して決定することができる。実は、すべてのジョイント３の位置、及び個々のリンク２に関するその間の場所は内挿によって計算することができる。
【００５９】
これまで、硬いリンクと機械的なジョイントによっては、そのようなエレメントの数を十分に増やして不規則に曲がった表面に順応する高い能力を有する形状又は位置測定ツールを提供するということができなかった。さらに、図１のメカニズムは１つの平面内の運動に限定される。
【００６０】
図２は、図１のメカニズムを変更したメカニズム２２を示す。メカニズム２２は、「捻れ」ジョイント６を新たに含み、それも回転位置を示すセンサを備えている。この捻れジョイント６は、図１のメカニズム１が拘束されていた平面の外へエンド・エフェクタ５が回ることを可能にし、３次元空間というボリュームへアクセスする能力をそれに与える。
【００６１】
図３は、図２のメカニズム２２の一般化された拡張を示しており、変更されたメカニズム２３の長さに沿って多数の捻れジョイント６が設けられ、オプションとして曲げジョイント３が一緒に配置されて示されている。図４は、同様の一般化された拡張により提供されるメカニズム２４を示し、曲げ３と捻れ６がメカニズム２４の長さに沿って分布され、必ずしも一緒に配置されない。
【００６２】
図３，４のメカニズムは、３次元でカーブしている表面にある程度合わせられる機械的能力を有する。しかし、これまでは、硬いリンクと機械的ジョイントによっては、それらのエレメントの数を増やしてカーブした表面に順応する高い能力をもつ測定ツールを提供することができなかった。
【００６３】
再び図１を参照すると、各リンク２の長さと各ジョイント３の角度セッティング２６とに基づいて簡単な幾何を用いて基準点４に対するエンド・エフェクタ５及び各ジョイント３の２次元での位置を計算することが可能である。同様に、図２，３，４のメカニズム２２，２３，２４に関して、これらのパラメータを３次元空間で計算することができる。これを示すために、これらの各図で、ｘ，ｙ，ｚ座標の記号がエンド・エフェクタ５に対向して記されている。
【００６４】
図５，６は、前記’６７２特許の発明の実施形態を示し、１つの変形例では、長さに沿って分布された一連のたわみ検出センサ１０，１１の担体としての役割をするフレキシブルなリボン状基体８を有する測定部材を設けることによって、効果に至るこの方法論を押し進める。図５，６に見られるように、この基体は基準面２８を有し、それを物体の外側表面にあてて、センサから受信した角度方位を表す信号に基づいて物体からの輪郭を抽出する。
【００６５】
基準表面２８を備えたフレキシブルな基体８を用いて曲げと捻れをサンプリングすることにより形状を測定するこの方法は、測定される曲げと捻れが急激に変化することが許されていない場合、又はセンサ間隔が十分に小さくて変化を十分にサンプリングできる場合に適用できる。センサの間隔及び個々のセンサの範囲がこのセンサ・アレーの許容される動作範囲を決定する。
【００６６】
図５において、及び本明細書の他のところでも、「リボン」という用語は、本質的に非伸長性のフレキシブルな物質のボディーであって、長手方向寸法１２が幅１３及び厚さ１４に比べてかなり長く、幅１３は厚さよりもずっと大きく、もってこのボディーの曲げが実質的にリボンの長手方向寸法１２に直角でリボンの面内にある軸１５，１５ａのまわりの曲げに限定されるボディーを意味する。しかし、リボンは自由に捻れることができる。このため、横方向の曲げの軸１５，１５ａは必ずしも平行でない。
【００６７】
図７はリボン基体８を示し、矢印は曲げと捻れを示している。
【００６８】
図５において、リボン基体８には、露出した表面９に沿って一連の曲げセンサ１０及び捻れセンサ１１が分布されて取り付けられている。これらは本質的に点状の物体として概略図に示されている。実は、これらのセンサ１０，１１は、すべてこれらのセンサ１０，１１からの信号を受ける信号処理装置（図５には示されていない）に結合されている。
【００６９】
図６では、図５のリボン８が、捻れの存在なしに１つの平面内で曲げられたときの側面図で示されている。曲げセンサ１０に近い２点１６，１７の間の屈曲は中心１９のまわりの円弧１８として近似できる。もしもリボン８が良い挙動で曲がり、例えばリボン８が比較的一定の厚さ１４とたわみ特性とを有し、かつ、基体８に沿ってセンサ１０の分布が十分に密であるならば、妥当な精度を得るのにこの近似は十分であろう。
【００７０】
点１６，１７の間の曲率は、これらの位置に配置された曲げセンサ１０，１０によって測定されるような点１６，１７における測定された屈曲状態によって推定できる。もしもこれらの曲率が異なる場合、平均曲率又はさらに隣接する曲率測定値に基づく曲率の値を円弧１８の近似的曲率としてとることができる。
【００７１】
円弧１８の曲率の値と、本質的にリボン８に沿って分布されたセンサ１０の間隔である弧長とを知ると、次の点１７の位置を隣接する点１６に対して計算することができる。このタイプの相互参照的な計算をリボン８の基端から終端まで進めることができる。このような計算により、すべてのセンサ１０，１１の空間における位置、及び内挿によってリボン８の任意の中間点の位置の幾何的な値を得ることができる。
【００７２】
上述の説明は、簡単のために曲げセンサ１０についてのみ行った。同様な計算により、捻れセンサ１１から受け取るデータを組み込んで３次元空間における幾何的データを求めることができる。
【００７３】
基体８の平坦な、捻れていない単位長さのセクションが２つの平行な端を有する場合、捻れは、捻れが加えられたときの端の間の単位長さあたりの角度の差と定義される。基体８に曲げも加わる場合、捻れは、言わば薄い円筒状の駆動シャフトの長軸に沿って存在するものと同じである、すなわちシャフトが曲げられても捻れは不変にとどまると解釈される。これが起こると、端の線はもはや平行な面内にない。
【００７４】
捻れだけが基体８の真っ直ぐなセクションに加えられた場合、曲がりを有するセクションに達するまでは捻れは長手方向軸線１２の位置に影響しない。
【００７５】
基体の形状のモデルを上述の計算に基づいてコンピュータ内に構成することができる。このモデルを視覚的に提示する好適な手段は、小さく平坦なサブアーク・セグメントを用いて順次アークを描き、捻れが真っ直ぐなアーク・セグメントでも見えるようにすることである。内挿、平均、その他通常のカーブ適合手法を用いて洗練を加えることができる。
【００７６】
’６７２特許の基体での曲げ及び捻れ測定に適したセンサとしては、ファイバ光学曲げ及び歪みセンサである一般に感知レジスタ（ＦＲＳｓ；圧力センサ）と呼ばれる曲げと伸びの導電性エラストマー・センサ、曲げ感知センサ（ＢＳＲｓ）及びピエゾ抵抗センサ、並びに接着ワイヤや半導体形態を含む電気的歪みゲージ、並びにその他の、容量、磁気、及び圧電的方法を含み、曲げ、伸び、及び捻れを測定できるセンサがある。しかし、本発明のフレキシブル部材は、部材の長さのかなりの部分に、多くの場合実質的にその全長を延伸するファイバの部分を含むセンサに基づいている。これらは、通常、ファイバ光学曲げセンサ、又は、金属ファイバ、すなわち応力のもとで抵抗が変化するワイヤなどの導電センサになる。
【００７７】
上で参照した米国特許第５，３２１，３６７号やＰＣＴ出願ＷＯ  ９４／２９６７１（出願ＰＣＴ／９４ＣＡ／００３１４）などに記載されているようなファイバ光学センサは、電磁障害に対して不感であるから非常に本出願に好適であり、伸長のないたわみの中立軸で機能する。これらの文献で言及されているファイバ光学センサのタイプは「曲げ強調ファイバ」と分類できる。
【００７８】
曲げ強調ファイバ・センサ（ＢＥＦ）は、コア／クラッディング界面を処理して変更し、コアから変更ゾーンにぶつかる光が失われて戻らないようにしたゾーンにおけるライトガイドからの光の損失に基づいている。ＢＥＦセンサでは、公称真っ直ぐなファイバが、通常片側で処理されて、ライトガイドが曲がって処理された真っ直ぐなゾーンがより凸になると増加し、ガイドが反対側に曲がると光の損失が減少する。場合によっては、ファイバは、円周バンドがぐるりと処理されて、バンドの領域のどんな向きにおける曲げも検出されるようになる。
【００７９】
上述のような光の強度に基づくセンサは、信号処理が非常に簡単なので低コストの用途で魅力的である。しかし、ライトガイドにおける強度は測定される量（曲率）以外に多くのものの関数である。望まれない強度変調因子としては、以下のものなどがある。
【００８０】
光学的結合の変動
リードの曲がり
光源の老化
ライトガイドの老化
光源と検出器に対する温度の影響
ファイバの間のバランスの要求を減らす１つの方法は、個々のリードのスループットを調整するためにある局所点を研磨したり加熱したりして「損失のある」ゾーンを形成することである。
【００８１】
ループ・ファイバ光学テクノロジーは、２つの対向するラミネート・ループを含む光及び電子ブリッジング法を用いてこれらの問題を克服する。これは’６７２特許で図２３乃至２６、及び図３１乃至３７によって詳しく説明されている。
【００８２】
上で、テープ又はリボンをらせんの形にしてらせんの曲げと捻れをモニター又は測定することに言及した。この又はその他の形のらせんは、支持基体なしでセンサ・ファイバ自身で形成される部材に特に好適であり、そのようならせん構造の例を以下に述べる。
【００８３】
らせんは、その曲げと捻れによって完全に記述される数学的な空間曲線として厳密に定義される。この曲線の式は、以下の通りである。
【００８４】
【数１】
2004517331.tif 000003
【００８５】
ここで、太字のｉ，ｊ，ｋはｘ，ｙ，ｚ軸のデカルト単位ベクトル、ｔはパラメータのトークン、Ｒは座標原点から曲線の各点を指すベクトルである。ｒとｂは以下で説明する。最初の２つの項はらせんの基底を成す円を記述している。第３の項は、基底の円を「回る」ときのらせんの「上昇」を記述している。パラメータｔに０という値を割り当てると、最初と最後の項は消え、第２の項はｒ（以下、「基底半径」という）となる。次に、ｔに２パイ（２π）という値を割り当てると、第２項が０に、第１項がｒになり、最後の項は２πラジアンという完全な一回転の間にらせんがどれだけ上昇したかを記述する。
【００８６】
らせんの２次元投影が図８に示されている。空間曲線１４９の基底は、半径ｒの２倍という直径と、ｒの２π倍という円周とを有する。らせんのピッチは因子ｂの２π倍と定義される。図９の三角形１５０は、一辺１４９がらせんの完全な一回転であるピッチの長さ、すなわち２πｂを有する。図１０で、三角形は、三角形の紙片のように考えることができるが、円筒に曲げられて辺１４９はらせんの１サイクルになる。
【００８７】
らせんの曲げと捻れは、ｒとｂという定数と直接結びつけられる。それらの導出はたいていの初等数学の教科書で見られ、以下のように表される。
【００８８】
【数２】
2004517331.tif 000004
【００８９】
らせんの１つの性質は、らせんに加えられた全体の応力を、全体としてらせんにおけるコイルの別のタイプの応力に変換するということである。例えば、らせんばねに加えられた張力は、ばねコイルのワイヤにおけるトルク又は捻れ応力を生ずる。らせんの形の物理的なボディーが外力で曲げられた（これにより、らせんのセンターラインが曲げられるということを意味する）場合、らせんの短いセクションは依然として近似的にらせんであるが、親、つまり曲げられていないらせんとは曲げと捻れの量が異なる。らせんがその軸のまわりで捻られた場合、その曲げと捻れは軸に沿って一様に変化する。らせんの利点は、曲げと捻れが軸に沿って分配されやすいことである。これは、ロープにあるように、いくつかのらせんが一緒に捻られるときに有利である。ロープは多くのファイバや紐を含み、中立軸にあるものはほとんどないが、２つの自由度で曲がることができると共に、第３の自由度で捻れることができ、挫屈や応力集中の可能性はほとんどない。
【００９０】
ロープ又はらせんラップでは、ロープ又はラップ部材の全体的な曲げは、各ファイバ又はファイバから成る紐の外に向いたカーブは曲率が増加し、内に向いたカーブは曲率が減少するという形で、ファイバ又は紐に沿った曲率の増加と減少の繰り返しサイクルに変換される。全体の曲げによるファイバの正味の拡張はゼロに近い。
【００９１】
この開示では、らせん形態に重点がおかれるが、それは、サイクリックに繰り返される３次元形態は厳密にらせんでなければならないということを意味していない。拡げられたスパイラル（円錐表面上のスパイラル・カーブなど）も、いろいろな曲げと捻れがスムーズに変化することなど、らせんの有利な属性の多く又は全部を有する。らせんは、ヒトの四肢にセンサを巻き付けて生ずるような場合、一般に「純粋」ではない。それにも拘わらず、簡単のために、本発明の３Ｄバージョンの説明を容易にするらせんに重点をおく。
【００９２】
図１１（ａ）にらせんファイバ９０が示されている。３つ組の矢印９２は、らせんが伸びるセンターラインＳ、及び水平軸Ｘと垂直軸Ｙを表している。図１１（ｂ）〜（ｄ）は、Ｓ軸に沿ったファイバ位置のプロットを示しており、Ｓ軸は図１１（ｂ），（ｃ）では真っ直ぐであるが、図１１（ｄ）では曲がったらせんのセンターラインである。図１１（ｂ），（ｃ）は、らせんの１回転に対する位置の正弦波的な性質を示している。Ｘ及びＹのプロットは９０度位相がずれている。らせんがＳＹ平面で曲げられる場合、Ｙの１サイクルの一部は下向き屈曲９６が増大する一方、他方の部分は上向き屈曲９７が減少する。図１１（ｃ）のプロットは、らせんのＸ寸法を、図１１（ｄ）のようにＳＹ平面で曲がっているかに関わりなく示している。
【００９３】
らせん形態は、前記’６７２特許の図７におけるロープ・センサのようなセンサの構成の基礎である。この場合、以前のこの特許に記載されているように、ロープにはその全長に沿って曲げセンサ及び捻れセンサを設けることができる。本明細書において用いる用語「ロープ」は、単にいくつかのファイバを捻り合わせてファイバがある程度らせんになるようにしたものを含む。これを行う最良の仕方についてさらに詳しく記述する。
【００９４】
図１２には、互いのまわりに捻って曲げられた２つの光ファイバ１０４，１０５から成る非常に単純なロープ１００が示されている。ミラー１２０が一端に取り付けられており、他端で結合器を用いれば光の注入と反射された光の取り出しが可能になる。ミラーは、化学的又は物理的な金属の析出によって、又は金属粉末を含むエポキシ樹脂の接着によって形成することができる。
【００９５】
すべてのロープについて言えることであるが、得られた全体は各ファイバ単独の機械的性質よりも強化された機械的性質（フレキシビリティ及び応力の分散性）を持つようになる。成分ファイバは、実効的に、強化された機械的性質を有する基体になっている。２つのファイバは、端で接着又は他の仕方でくっつけてほどけないようにできる。ロープの紐が物理的に、のりなどによって結合されているかどうかに関わりなく、ロープ部材の長さの大部分に沿ってファイバが互いに接触しているということは、それらが互いに支え合う関係にあって単なるファイバの束よりも大きな強度と一体性を有するということを意味する。
【００９６】
実証されているロープ構成方法をセンサ・ロープにも用いることができる。例えば、捻り合わせてロープを形成するときに、光ファイバなどのファイバの紐を反対向きに捻ることによってロープを形成することができる。それによってロープの一体性と形を保ちやすくなる。ロープに加えられる曲げと捻れは、ファイバ自身に伝達され、上述のように曲げを感知するように処理された光ファイバを用いる場合、ファイバの部分を成しているセンサによって感知される。処理は、各ファイバの表面の軸方向拡がりに沿って用いられる損失ゾーン、例えば図１２におけるハッチングされた領域１１３，１１４で示される損失ゾーンという形をとることができる。
【００９７】
２本のファイバ・ロープの断面が図１３に示されている。ファイバの選択された側にある損失ゾーン１１３，１１４は、一方の損失ゾーンは垂直に向き、他方の損失ゾーンは水平に向くという直交配置で示されている。センサは知られた面内で曲げを加えて校正することができるので、ゾーンの向きは正確に直交する必要はない。各面内の特性を用いて２つの連立方程式を解くと、２つの未知量、直交する面における曲げ、すなわち「ｘ及びｙ」曲げを求めることができる。捻れは、もう１つのファイバと、既知の捻れを含むポーズ（単数又は複数）とを必要とする。一般に、ロープ状のたわみは、’６７２特許で記述されているように、２つの曲げ自由度と、１つの捻れ自由度との３つの自由度を有する。したがって、３つの未知量を求めるために３つの方程式が必要である。これは、ロープに沿った１つの位置でのたわみを完全に決定するの３つのセンサを意味する。
【００９８】
図１４には、３本のファイバ形態がロープ１００’として示されている。処理された曲げ感知ゾーンの２つが再びファイバ１０４と１０５のゾーン１１３と１１４として示されている。ミラー１２０も示されている。第３のゾーンはロープによって隠されているが、このゾーン１１５は処理された領域内のロープの断面を示す図１５に示されている。図１５のゾーン１１３，１１４、及び１１５は、ロープの周で互いに約１２０度の間隔であるように示されている。この間隔は、２軸の曲げと捻れを解いて求めるためには最適であるが、正確に１２０度である必要はない。著しく精度を低下させるような角度を避けるだけでよい。例えば、２つのセンサが両方共同じ方向に向いていると、それらは同じ情報を含んでいるので、３つの自由度について解くことは不可能である。同様に、ほぼ同じ情報を与えるセンサはほとんど役にたたない。曲げと捻れを解いて求めるには３つの未知量について次の形の３つの方程式を立てる必要がある。
【００９９】
2004517331.tif 000005
ここで、「ｂｅｎｄｃａｌ」と「ｔｗｉｓｔｃａｌ」は、ロープを知られた曲げ及び捻れポーズに置いて得られる曲げ及び捻れの校正定数である。好適な曲げポーズは、直交する面内での半円形である。捻れは真っ直ぐのロープに加えることができる。どちらも図１６に示されるような器具を用いて加えることができる。同じ規準フレームにそれらの外周で取り付けられたベアリング１３７がロープ９９を両端で保持する。ロープは半円形に曲げられる。ロープが回ると各センサは異なる角度で外に向くから、ベアリングを同期して回してロープの各センサに連続的に変化する曲げを加えることができる。両端の位相差を用いて知られた捻れを加えることもできる。オプトエレクトロニクス・インターフェース・ボックス１３６は回ることができるように取り付ける必要があり、他端における他のアタッチメント、例えばミラー１２０も同様である。一定の速さで回っている図１６の校正器具で用いられる場合、ロープ上の各センサの出力は正弦波である。正弦波は、各センサの外周で向いている角度によって位相が異なる。２つの回転するベアリングの間に機械的な角度のずれを作り出すことによって捻れを加えると、依然としてベアリングは一定の速さで回っているが、向いている角度は、互いに対して捻れに比例する新しい位相角をとるようになる。
【０１００】
校正についての上の説明では、各センサ出力をロープ内のセンサの位置と関連づけることができると仮定した。この関連は、校正作業の前に、ロープ内のファイバの構成を知り、且つ各ファイバと各読取装置（例えば、光発生器と検出器）との結合を知ることによって知ることができる。しかし、校正の際に軸方向及び周方向の幾何基準となる形をロープに与えることによってこの関連を作り出してもよい。例えば、上記の校正器具の中でロープが回転しているときに、例えば滑らかなロッドをロープの軸に直角に保持しロープのアーチに押しつけることによって、その全体の形に局所的に凹みをつければよい。局所的な凹みはその軸方向位置でセンサのサブセットに大きく影響を及ぼして、そのサブセットに余分な曲げを生ずる。サブセットは通常ほぼ１２０度の周方位間隔にある３つのセンサを含む。これらのセンサの出力の位相はロープに沿って選ばれた任意の基準センサ（普通、ロープの一端にあるもの）に対する周方位を示す。これらの出力によって、影響を受けるファイバを同定して、それらのファイバを作用を受けている感知部位と関連づけることができる。
【０１０１】
別の方法は、成形プレートの間でロープを保持し、ロッドのまわりにループで巻き付けて、ロッドとループをロープの長さだけ移動させるか、又はロープを知られた定在波パタンで、若しくは知られたダイナミックな捻れとターンで（コントロールされた仕方で輪なわを振り回すときのように）平等に振動させるものである。また、準ランダムな機械的入力とニューラル・ネットワークなどの関連ソフトウエアとを用いて関連を決定することも可能である。
【０１０２】
実際、上述の校正方法は、すべてのセンサについて軸方向及び周方向の情報を明らかにするので、センサをランダム又は準ランダムに軸方向又は周方向に配置して組み立てられたロープにおけるすべてのセンサの関連と場所の両方を決定することができる。普通、これは、校正で同じ又は非常に近い周方位を有することが見出されたセンサを補償するために冗長的なセンサをもって構成されたロープに対して行われる。幸いなことに、センサの損失ゾーンが非常に長い場合でも、センサが知られた方位を有するようにロープを構成することは可能である。このことはらせんの方程式を参照して説明することができる。捻れは、以下のように表される。
【０１０３】
【数３】
2004517331.tif 000006
【０１０４】
ｒがｂに比べて小さい（実際のロープにあてはまる）場合、捻れはほぼ１／ｂである。ファイバのピッチ長さ（２πｂ）に対してファイバの中心では数学的な捻れが１／ｂとなる。これは１ピッチ（らせんの完全なひと巻き）で２πの捻れと同等である。直径０．２５ｍｍのファイバから作られた実際のロープのピッチ長さは約１．５ｃｍである。プラスチック又はガラスのファイバは、それらの捻れ剛性のために、１．５ｃｍあたり２πという捻れをとることには容易に抵抗する。したがって、各ファイバの中心線でピッチあたり２πの数学的な捻れを有するが、捻れがゼロであるロープは、単にロープを巻いて、そうしながらファイバの捻れがほどけるのを許すことによって容易に作られる。このことは、ファイバを軸方向の真っ直ぐな損失ゾーンで予め処理してからロープに巻くと、損失ゾーンがその軸方向の拡がりに沿ってロープから外へ同じ方向に向いたままになるということを意味する。損失される光は、１つの平面又はほぼ１つの平面内に発散すると考えることができる。ファイバをロープに巻く前に周方向に予め回すことによって、これらの平面を１２０度の間隔で、又は他の所望の角度間隔で配置することができる。軸方向の線をマークした大きなワイヤをロープの形に巻くことによってこのことを確かめるのは簡単である。労力を払って捻れを加え、ファイバをしっかりと結合することによってその捻れを維持するようにしない限り、軸方向の線はそれらの長さに沿って一定の方向に向くであろう。
【０１０５】
曲げの感度のための長い軸方向処理は、センサが一様に曲がり又は捻れていなくてもセンサの長さにわたる正味の角曲率を決定する分布感知を達成するために必要である。上で参照した以前の特許に記載されているように、曲げと捻れの場は軸方向の長さにわたってゆっくりと変化していることが多いので、処理は断片的に連続であってもよい。ロープ又はリボンの各部分の角度方向は保たれるので、分布センサはセンサの長さの範囲内で曲げ又は捻れの変動による誤差を最小にするように働く。しかし、捻れがファイバの長さにわたって蓄積するようにすること、すなわち一部のロープやケーブルで行われているように、ロープを巻くときに各ファイバに意図的に余分な捻れを加えることも可能である。これは、長い、敏感なゾーンを捻って、ロープの軸方向の拡がりに沿って変化する角度でロープから外へ向くようにするという効果がある。極端な場合、センサがピッチ長さ毎に円形対称になるので曲げの感知を妨げる。しかし、処理がファイバに沿って、巻いた後でピッチと同じ周波数で周期的である場合には、依然としてそれは純粋な曲げセンサとして機能することができる。周期的なゾーンは、１８０度を超える周を占めない限り、相当に長くても良い。１８０度を超える周を占めてもよいが、曲げに対する感度は低下する。また、巻いた後で、連続的な又は断片的に連続な仕方でファイバを処理することもできる。
【０１０６】
ロープ構造の捻れ感度はかなり小さく、捻れの両方向（時計回りと反時計回り）に対して必ずしも常に単調でない。それでも、捻れセンサを用いて限られた範囲で形を見出すことができる。捻れはファイバにそれらの軸のまわりでの回転を生じ、これにより、損失ゾーンが異なる屈曲に、つまりロープが「巻き上げられる」につれて増大する曲げに露出される。ロープの実際的な形の範囲で使用できる高い捻れ感知は、曲げと捻れがより大きな締まった構造を達成すべくロープを巻くことによって達成される。こうして、捻れが戻るときにファイバが離れることがないので、捻れに対して単調な応答を生じて、予測できる応答又は手頃な大きさの応答が不足する。「単調（モノトニック）」又は「バイポーラ」という用語によって、光スループットが一方の方向に加えられた捻れでは増加し、他方の方向で加えられた捻れでは減少するということを意味する。この予め捻られたゾーンでは、捻れ感度が予め捻られていなかったまわりのファイバに比べてずっと大きい（１０倍より大きい）。捻れ感度の第１の原因はファイバの処理ではなく、むしろ捻れるときのきつい半径でのファイバの微小曲げにある。セクションにより大きな捻れを加えて、このセクションのエッジを固定することでそれを保存することによって、ロープに沿って選択された場所に高められた感度を配置することができる。これは図１７に示されている。すなわち、ロープ１００”は、捻れが低く構成された領域１３２と、捻れが高く構成され、引き締めるバンド又は接着剤１３１で維持された領域１３３とを有する。他には、その領域を十分に捻って、その予め加えられた捻れを接着剤なしに維持してもよい。これは、ポリメチルメタクリレート・ファイバなどのプラスチック材料において可能である。これらは降伏点を少し超えて捻ると予め加えられた捻れを維持するようになるか、又は摩擦だけでも予め加えられた捻れを維持するようになる。軽く熱することもプラスチック・ファイバにおける捻れ感知領域の形を固定するのに役立つ。グラス・ファイバでさえも予め捻れを与えることができるが、熱と再被覆が必要かもしれない。グラス・ファイバは、高温でロープ又は「ヤーン」で予め捻り、次にほどいて再被覆し、次いでより合わせて再びロープにすることによって同様に熱処理することができる。これらのファイバはすべて、熱処理などによってそれらの非直線形態を維持する。
【０１０７】
予め捻られたセクション内で、センサ処理１１５と１１６が示されている。捻れと曲げは長さにわたってゆっくりと変化するので、曲げセンサは、捻れ感知セクションに対して基部の方にあっても、末端の方にあっても、両方にあってもよい。また、曲げセンサを別のロープに配置し、捻れロープと曲げロープをより合わせて、２つのロープが実際には親ロープの紐であるようにすることもできる。普通、曲げ及び捻れ処理は、それらの紐上に親ロープに沿って同じ軸方向位置に配置される。
【０１０８】
図１７に示された捻れ感知方法は、捻れ領域が曲げを感知するために処理されたファイバと同じものが用いられる場合、上の曲げ及び捻れの式１００〜１０３の少し異なる形に導く。捻れ信号は依然として加算的であるが、捻れゾーンはまた曲げの絶対値に応答するので、どの軸のどの曲げでも、その紐のすべてのファイバで光スループットの減少を生ずる。曲げ応答は円形対称である。これは、３つの方程式に共通の捻れ及び曲げの項の共通の絶対値を生ずる。それでもやはり、既知の校正定数に基づいて３つの未知量に対する１つの解がある。捻れゾーン、及び２つの曲げ処理で十分である。捻れゾーンが異なる紐に分離された場合、やはり方程式に対する一意的な解があり、項の相互作用は少なくなる。
【０１０９】
好ましい実施の形態では、曲げに対して何ら感度をもたない、純粋なバイポーラ捻れ感知が得られる。純粋な捻れセンサは、上述のように予め捻ることによって形成される。純粋な捻れセンサは、捻られたファイバの数がわずかである場合（通常２つを捻り合わせる）、１つの領域で予め捻った後に、予め捻られなかった他のファイバと共に紐に巻き込まれて形成される。サイクリックな構造の特に有効な態様が利用される。図１１（ａ）〜（ｄ）において、例えば図１１（ｄ）のＹ対Ｓプロットの９６と９７に見られるように、らせんファイバが不均一な量の曲率をとることが示された。Ｘ方向では図１１（ｃ）に見られるように、その曲率は影響されない。捻られた対ではファイバとその相手との機械的な相互作用がいくらかあり、光はファイバの周の周縁の側面に分布するので、サイクルの「９６」ハーフにおける曲率の増加がサイクルの「９７」ハーフにおける曲率の減少と理論的には大きさが等しく符号が反対であるとしても、何らかの正味の信号変化がある。この二次的な効果がなければ、センサは既に「純粋捻れ」センサであるが、実際には非バイポーラ的に加えられた曲げに応答する。これを別のより大きな紐に巻き込むか、又はより大きな円筒コアのまわりに巻くかすると、この態様が消失する。その場合、コア又は紐の曲げは、図１１（ｃ），（ｄ）に示されているものと同じ水平及び垂直の形で、ただしより大きなスケールで従う。そのスケールでは、二次的な効果は消失して、それらと共に曲げに対する感度もなくなる。捻れ感度の減少はない。より大きなスケールで動作することで、図１１（ｄ）の曲げの増加と減少の理論的な打ち消し合いが達成される。
【０１１０】
上の議論は、この例の「Ｙ」平面における正味の曲げがゼロであり「Ｘ」平面における曲げが変化しないとしたら、バイポーラ・センサ処理がどのようにしてらせん上で曲げを検出できるのかという疑問を生ずる。しかし、「ゼロ捻れ」ファイバにおけるバイポーラ・センサは、らせんのどこにおいても同じ平面方向に向いている。もしもその平面がＹＳ平面とそろっている場合、センサ信号はサイクルの「９６」ハーフには下向きの曲げの増加のために減少し、サイクルの「９７」ハーフにも上向きの曲げの減少のために減少する。したがって、曲げに対して円対称感度を有するように「処理された」ファイバがらせんにおける曲げを検出せず、バイポーラ感度を有するファイバがらせんにおける曲げを検出するということに何も矛盾はない。このように、有用な純捻れセンサを形成する際には、単にファイバを１つの場所で予め捻ってそれをより大きならせん内に配置すればよい。
【０１１１】
「純捻れ」センサを形成するもう１つの望ましい方法は、図１７に示されているように、捻れが増加している領域を、ファイバが占めるらせんの完全なひと巻き、又はその整数倍を占めるように作ることである。捻れは感知されるが、曲げはどの軸のまわりでも各らせんに沿って打ち消しあう。
【０１１２】
図１８は、らせん状ロープの、又はロープの紐の１つのファイバ２００を示す。円対称に処理された領域２０１は、光がらせんのひと巻きの短い部分で逃げ出すことを許す。損失領域２０１でファイバを通る断面が図１９に示されている。ファイバを取り巻く円の帯２０３は、研磨、エッチングなどで作られた意図的に導入された損失領域である。これは、コア２０１の中の光がどこで円周にぶつかっても逃げ出すことを可能にする。ファイバの中の光束が小さな円２０４として示されている。それは常に、巻いているファイバの最も外側の部分、すなわち図では下に向いている部分で最も密である。したがって、円２０４は、ファイバの下部に近いところで最大密度になるように描かれている。ファイバのまわりの矢印２０５は、それらの長さによってファイバの下部の方へ光損失が増加していることを表している。すなわち、らせんの曲がりは、円対称であった処理を、主に円周のある特定角度に向いた損失を有する曲げセンサに変える。これにより、対称なエッチング又は研磨方法を用いながら、ロープの３つのファイバの３つのそのような領域の軸方向配置を変えることによって３つ組センサを製造するのに利用できる簡単な製造方法が可能になる。領域を軸方向に長くして各々がらせんの完全なひと巻きを占めるように成ると、再び対称性が実現されて３つ組は捻れ感知領域となる。
【０１１３】
図２０は、任意のらせんに予め存在する曲げと捻れを利用する処理の別の例を示す。図２０は、ロープにおけるファイバの典型的な形であるらせん形の光ファイバ２００を示している。この場合、ファイバは狭い軸方向の帯２０６で処理されており、これはファイバがロープに巻かれるまでは真っ直ぐであった。ロープに巻かれると、ファイバは捻られて、帯はファイバの周上で「ファイバらせん」上の「バンドらせん」となって回る。バンドらせんはファイバらせんの１回転あたり一回だけ、ファイバらせんの最も外側の部分に現れる。それは２０６Ａというひと巻きのスタートである場所と、次のひと巻きのスタートとされる２０６Ｂとに現れる。光は、２０６Ａと２０６Ｂで損失ゾーンと最大に相互作用するので、矢印２０７Ａと２０７Ｂは得られたセンサの優先軸を示すために描かれたものである。処理２０６の他の部分でも光損失があるが、光束と相互作用する処理の円周角度を表すコサイン法則に従って、光損失はらせんの外側の方で常に最大であるから、他の部分ではより小さくなる。これによって、損失ゾーンがひと巻きの全長だけあっても、それより長くても、らせんの選ばれた円周角度でらせんの曲げに対してバイポーラ応答で曲げを感知するセンサを作ることができる。製造中にピッチあたりひと巻きに満たない捻れがファイバに加えられて、連続な（又は断片的に連続な）狭い軸方向処理がらせんのひと巻きよりも多く伸びている場合、空間分布が１ピッチ長さを超える曲げセンサが作られる。大きな「製造」捻れが加えられると、モノポーラ曲げとバイポーラ捻れを組み合わせたセンサが作られる。捻れ感度は、処理バンドが外向き角度に頻繁に現れてバイポーラ性が打ち消されることから生ずる。製造捻れが大きいときの感度は、製造捻れが加えられている処理されないファイバと性質（曲げでモノポーラ、捻れでバイポーラ）は同様であるが、ただ応答の大きさはより大きい。このような処理を曲げに対するバイポーラ感度を有する他の領域と組み合わせてらせんの曲げと捻れの３Ｄ状態を正確に解くことができる。
【０１１４】
別の実施の形態では、１つのファイバを別の真っ直ぐなファイバのまわりに捻って、第１のファイバが第２の真っ直ぐなファイバのまわりでらせんを描くようにして捻れセンサが形成される。らせんファイバは、曲がりの半径を減少させるように捻られると光スループットが減少し、反対の方法で捻られると光スループットの減少が少なくなる。この性能のために真っ直ぐなファイバは不要であり、除去することができる。本実施の形態は、曲げに対して全く、又は非常にわずかしか応答しない。
【０１１５】
製造捻れは、紐又はロープの中の単一ファイバに加えられることも、複数のファイバ、又はすべてのファイバに加えられることもあり、所望の軸方向場所で単一又はグループの捻れと曲げの感知を生み出す。処理と製造捻れがらせんの１ピッチを超える長さにわたっている場合、主なセンサ・タイプが２つ得られる。製造捻れが、ファイバらせんに沿ってファイバらせんの巻きがするのと同じ空間周期で繰り返すバンドらせんを生ずる場合、バイポーラ曲げセンサが得られ、その感度平面は処理バンドの最も外側に向いた面を通る。バンドらせんの周期がより高い周波数で繰り返す場合、曲げに対するモノポーラ応答がバイポーラ曲げ感度を伴って生じやすい。好ましい実施の形態は、１つの領域の２つのファイバを予め捻り、次にその対を他のファイバと一緒に巻いて紐にするか、又はその対を曲げ感知ファイバと合わせて中心コア（内視鏡、チューブ等）のまわりに巻くことによって形成される純捻れセンサである。
【０１１６】
ここまでは、ロープに沿ってただ１つの場所で曲げと捻れを決定するセンサの対と３つ組を記述してきた。しかし、本発明による部材は、前記の’６７２特許におけるように、通常は、部材に沿って１つよりも多くの場所で曲げと捻れを測定することが要求される。このことは、ロープに沿って対又は３つ組のアレーを形成することによって行うことができる。１例を図２１に示す。ここでは、ファイバ１０２，１０３、及びファイバ１０４，１０５が、それぞれ、処理ゾーン１１５，１１６、及び処理ゾーン１１３，１１４と共に示されている。ミラー１２０が遠方端に固定されている。光回路が図２２でファイバ１０３，１０５について示されている。それらの損失ゾーン１１６，１１４は、単に図の便宜上真っ直ぐに示されたファイバ上の異なる軸方向位置にある。光源１２２は光を、指向性結合器１２１を介して、センサ１１６又は１１４を通して送り、それがミラー１２０から反射されて、再びセンサを通って指向性結合器からその下方のファイバ・レッグ１２４に出て光検出器１２３に入る。もっと完全なロープのシステムが、やはり便宜のために真っ直ぐなファイバによって、図２３に示されている。各紐１００は、それぞれ３つのファイバから成り、各紐に３つ組のセンサ領域がある。４つの３つ組は１４０，１４１，１４２，１４３と記されている。ミラー１２０は端に位置し、各ファイバに１つのミラーがある（図の便宜上、図は３つのミラーを１つのブロックにまとめている、又はブロックは以下の記述に共通してあてはまる）。
【０１１７】
本発明による部材は、図２３に示されているように各曲げ又は捻れセンサに対して１つのファイバを備えているのが普通であるが、特定波長の光に対して選択的なファイバ上の光吸収表面と、異なる波長を区別する光検出器とを用いることも可能であり、このようにして、１つのファイバを間隔をおいて離れたいくつかのセンサに使用することが可能である。
【０１１８】
図２４は、感知紐の別のループ形態を示す。３本のファイバがきっちりとしたループを有し、３つのループ１３０からの６「本」のファイバが中心コア・ファイバ１０７のまわりに巻かれている。ループは軸方向に少し異なる拡がりを有して入れ子となるように好適に配置されている。各ループの一方のレッグ（又は、望ましい場合、両方のレッグ）は、ロープに形成される前に処理される。上述のように、このことは、平坦な表面上でその表面と平行な平面で処理することで行うことができる。ループは構成されるときに処理されたセクションの方位を保つ。ループはロープの端でスター・パタンに配置できる。ロープがゼロ捻れで巻かれる場合、これは自動的に、処理部分を約１２０度間隔で向いている角度で配置する。それはまた、図の左側のファイバ端に「スター」・パタンを生じて、ファイバ１０４Ａ，１０４Ｂは同じループに属する。同様に、ファイバ１０５Ａ，１０５Ｂ、及びファイバ１０６Ａ，１０６Ｂは、それぞれ、他の２つのループに属する。
【０１１９】
図２４のファイバの処理部分は、ループの折り返しの近く、又は折り返し上にあることも、折り返しから離れたところにあることもある。ＰＣＴ／ＣＡ９４／００３１４などの従来技術によると、処理部分をループ折り返しの近くに配置すると、ループ折り返しと損失ゾーンとの幾何形状間の共同作用の結果、曲げの感知が高められる。また、同じ従来技術によると、この共同作用は、カーブしたファイバで一般に任意のカーブ部分内にある処理部分から生じ、カーブした部分がカーブの折り返しである必要はない。曲がりくねった形又はらせん形は、曲げに対する感度を高めるのに利用できる部位が多数あり、それらの部位の方位や軸方向位置を感知アレー又は感知部材の全体的な設計の中で計画して利用できる。
【０１２０】
「６オン１」構成（単一コア・ファイバを取り巻く６本のファイバ）は、従来の機械的ロープで周知の構成であり、図２４と２５のトリプル・ファイバも周知である。センサ・ロープの場合、中心コア・ファイバは機械的成分としてのみ残されることが多いが、それは、センサ・エレメントとして用いられたり、共通イルミネータ、つまりミラーも使用される場合の帰還ファイバとして用いられたりすることもできる。いずれにしても、中心のファイバがたとえ使用されても、センサ・ロープの機能に不可欠である場合はない。中心ファイバからわずかな剛性が付与されなくても、ロープは十分な機械的一体性を有する。むしろ、中心ファイバは、単にロープの形成を助け、たわむときに中心の空所を埋めるだけである。これは、’６７２特許に記載されているような機械的に従属的なセンサ・ファイバを保持する中心基体が果たす役割とは全く異なっている。
【０１２１】
ミラーを備えた構成が図２５に示されており、そこではファイバ４０１，４０２，４０３（及び図に示されていない他の３つのファイバ）がコア・ファイバ４００を取り巻いている紐３９９の端の部分を通る断面が示されている。小さなキャップ４０４が切断されたファイバの端の外周に取り付けられている。キャップはファイバから出てくる光４０７を中心の帰還ファイバに戻す役目をする内側のミラー凹面４０５を含む。帰還する光は矢印４０８で示されている。光を反対の方向に導くこともできる。前者の場合、外周のファイバは時間又は波長コード化によって多重化されて中心ファイバで集められた後別々に検出される。後者の場合、中心ファイバが定常的な照明を与え、外周のファイバで別々の光検出器を用いて各ファイバにユニークな信号を生成する。図２６は、図２５の４０９−４１０を通る断面を示す。
【０１２２】
また、コアの外側でセンサ・ファイバの紐を用いることができる。本実施の形態では、図２７に示されたファイバがファイバで構成される紐に置き換えられる。図２７の被覆ファイバも、引き続く層からのファイバを編み合わせることによって円筒状被覆に織り込むことができる。また、ファイバの「リボン・ケーブル」を中心コアのまわりにらせん状のラップとして巻くことによって図２７の構造を形成することが可能である。この変形例では、糸のゆるいキャリアでくくったリボン・ケーブルを用いるか、又は構造自体としてリボンでまとめて、構成するファイバがラッピングの際に互いにスライドできるようにするのがベストである。そうでない場合、この方法は非常に大きな形にしか適さない。
【０１２３】
本特許がカバーしている「コア・サラウンド」では、コアが、ファイバに対して機械的に従属する役割又は共同的な役割を演じ、実質的に、曲げ及び捻れの際に外側カバーを円形断面形状に維持する手段となる。一例として、図２７におけるコアを除去しても、ファイバは小さな曲げではそれらの円形の断面形状を維持するだろう。同様に、コアだけでもファイバの助けなしで挫屈することなくある程度たわむことができるであろう。しかし、コアとファイバを組み合わせると、より大きな曲げでも円形断面形状を維持することができ、円形断面形状が維持されるので、ファイバはコアの捻れに対する抵抗力を著しく高める。コアとファイバは、共同的な構成なしではどちらかに起こる曲げ又は捻れにおける挫屈を互いに防止する。
【０１２４】
あらゆる形態のロープにおいて、まわりにセンサでないファイバによる層を追加することで下にあるセンサ・ファイバを保護することができる。まわりの層は、らせん形、織られたもの、又は編まれたものにして、下にある層の形状といくぶんか形が合致することが好ましい。
【０１２５】
ロープ１００の大きなコア１０７は中実のファイバ又はロッドであっても、中空であってもよい。１０４と１０５などの取り巻くファイバは、ミラー１２０で終わることも、ループであることもある。ループが中空のコアを通って戻ることもあり、中空のコアが内視鏡、カテーテル、又は流体の通路を含むこともある。図示されたファイバのリングの上に他の層を追加することもできる。層は、交互に時計回りと反時計回りに巻いて強度を高め、ほどけにくくすることができる。これはまた、センサ構造がその軸のまわりで捻れる能力を減少させるための捻れ率を高める手段でもある。
【０１２６】
図２８（ａ）には、別の曲げセンサ及び捻れセンサ手段が示されている。小さなワイヤ又はファイバ１３４が中心コア・ファイバ１０７のまわりに巻かれている。ファイバ１０４，１０５，１０６はらせん状のラップでコアを取り巻いている。ラップを拡げ、他のファイバを図から除いて、余分なラッピング１３４が見えるようにしている。図２８（ａ）の１３５−１３５を通る断面である図２９には、すべてのファイバ１０４〜１１０と、ワイヤ又はファイバ１３４のらせん状ラップの一部とが示されている。余分なラッピングは、ロープを曲げたときにまわりのファイバに微小曲げ損失を作り出すように設計されている。該損失は、曲げの平面内で、曲げられたロープの外側で最大になる。その側でファイバは余分なラッピング１３４を最も大きく圧迫するからである。同様に、捻れは、すべてのファイバの光透過の全体的な減少を生ずる。６本のファイバがコア１０７を取り巻く場合、３つの未知量に関する６つの方程式を構成して、２軸の曲げと捻れについて解くことができる。
【０１２７】
容量感知を用いる別の構成が図２８（ｂ）に示されている。図２８（ａ）と同様に、もっと大きなセットのうち３本のファイバ１０４，１０５，１０６だけが中心のファイバを取り巻いて示されており、これらのファイバは一部ほどかれてセンサ構造１０７を明らかにしている。この別の構成では、ファイバが各々らせん状のセンサ「溝」１５４，１５５，１５６、及び１５７を有する同軸電気導体であり、同軸シールドが変形されて、取り巻くファイバの内側導体１１０と中心ファイバ１０７の内側導体１１０の間の容量結合を可能にしている。このセンサは、「容量性ロープ」の３Ｄの曲げと捻れによる結合の変化に基づいている。
【０１２８】
容量性ロープ・センサは、らせんの各ウエーブ内の曲げの差を有利に利用している。このことは、前に図１１（ｄ）で曲げが増加するハーフ・ウエーブ９６及び曲げが減少するハーフ・ウエーブ９７として示したもので、ファイバの正味の伸びはゼロになる。ロープが曲げられるとき、曲げの面内にあるファイバの部分は大きな屈曲９６，９７の差で応答し、曲げに直角の部分は曲げの差を示さない（図１１（ｃ）に見られる）。これらの直交する両極端の間で、曲げの差は外周の向きのコサインに合わせて変化する。これにより、隣接する取り巻いているファイバの間、及び取り巻いているファイバと中心ファイバ１０７との間で相対的なスリップを生ずる。このスリップは、ファイバに沿った軸方向位置によって、また中心ファイバのまわりの外周の向きによって異なる。
【０１２９】
結合溝１５４，１５５，１５６，１５７のピッチと幅は、取り巻いているファイバと中心ファイバとの間の結合が所定の平面内の曲げに対して最大に変化するように選ばれる。このことは、例えば、取り巻いている結合溝１５４〜１５６がほぼ同じ軸方向位置を有し、取り巻いているファイバの溝が中心ファイバの溝とそれらが最も接近する場所で合致することを保証すべく、ほんのわずか変化した場合に起こる。このためには、中心の溝が取り巻いている溝よりも少し長いことだけが必要である。すべての溝の長さを断片的に連続な仕方で延ばして、軸方向拡がりに沿って繰り返される接近ゾーンを生成して、選ばれた軸方向の限界内でロープ巻線のらせんの波長の整数倍で繰り返される接近を有する「分布」センサを構成することができる。
【０１３０】
選ばれた各接近ゾーンで、２つのファイバ上の溝は、外周１８０度の限界内でひと巻き又は数巻きにわたって接近している。センサは３つ組で、各３つ組のセンサがかなり異なる外周方位であり、好ましくはほぼ１２０度の間隔になるように配置される。円対称にすることができる溝の機能は、図１８に示されている円対称の損失領域の機能と同様である、すなわち、ある円対称の実体がサイクリックに繰り返されるらせんの構造によって外周方位のセンサに変換されることは明らかであろう。
【０１３１】
容量感知構造について、図２８（ｃ）〜（ｅ）を参照してさらに詳しく説明する。図２８（ｃ）は、典型的なファイバ１０７における溝１０９のひと巻きの部分を示す。この溝は、図２８（ｃ）では説明のために透明に示されている絶縁層１１１で被覆された中心の導電性ワイヤ１１０を露出させる。絶縁層の上には導電層１１２がある。「溝」はこの導電層の切れ目によって形成される。中心ファイバ１０７上に別の層１１３を用いて捻れ感知を可能にすることができる。捻れ感知層は圧縮性の絶縁体であり、それは均一な膜であっても、圧縮性絶縁ファイバをらせん状に巻いたものでもよい。これが取り巻いているファイバを半径方向にわずかな変位で保ち、それが捻れによって変化する。光ファイバの例で捻れ感知を高めるために用いたのと同じ方法を用いて、捻れ感知ゾーンにプレワインドを与えるか、又は捻れ感知ゾーンを曲げに対して不感にすることができる。捻れは、３つ組のセンサすべてに「コモン・モード」応答を生ずるが、曲げは少なくとも１つのファイバに他のものよりも小さく影響を及ぼす。
【０１３２】
図２８（ｄ）は、溝を含まない断面でいろいろな層を示す。金属の裸線１１０に薄い絶縁コート１１１をコーティングし、次に絶縁コート上に金属１１１を析出させて非常に細い同軸ワイヤを作ることができる。溝は、金属をエッチングして除くか、析出のときに溝の形にマスクして形成される。全体の上に変形可能な捻れ感知層を析出させるか、又は巻くことができる。もしも巻く場合、溝が反時計回りであれば、巻線は普通時計回りである。
【０１３３】
図２８（ｅ）は、典型的な取り巻きのファイバ１０４が、中心ファイバ１０７から薄い捻れ感知層１１３によって隔てられている様子を示す。ロープの曲げで、ファイバ１０４は、ファイバ１０７に対して軸方向に矢印１１５で示される方向にスライドする。このスライディングは、外側に曲げられたらせんの部分であって、方位が加えられた曲げの平面に最も良く合致する部分にファイバ１０４があると最大になる。このスライディングは２つの溝の間の電界結合を変化させる。ロープが真っ直ぐのときに、溝が軸方向で半分重なるように配置されていると、結合はバイポーラ的に変化する。溝の幅とピッチは、この結合とその変化とを最大にするように設計される。結合は、溝が互いに非常に接近して向かい合っているところでのみ顕著であり、各ファイバの他の部分は導電層１１２によって結合からシールドされている。捻れでは、３つ組で取り巻いている３本のファイバは、すべて巻き上がるか、又はすべて巻き戻り、矢印１１６で示されるように弾性層１１３を圧縮し、又は減圧する。これによって３つの結合がすべて全体的に変化する。校正は光センサに関して引用された方法と同様である。
【０１３４】
結合の変化の測定は、周知の容量感知方法によって、例えば、取り巻いているファイバの各々に順次ＡＣ信号又はパルス信号を導入し、それが抵抗負荷に接続されたときにファイバ１０７の導電コア１１０に結合された電流を測定することによって実行される。通常、シールド層１１２は、信号に対してニュートラル電位にあるか、又は、公知の方法に従って、受信するファイバで、それは、受信した信号のサンプルによって「駆動されて」、減衰を最小にすると共に、他の源からのピックアップを防止する。スリップは外周方位のコサインに合わせて変化するので、隣接する取り巻きファイバの間の結合を測定する容量感知ロープを作ることもできる。その場合、中心ファイバを不活性にするか、又は不在にして、取り巻いているファイバは、隣接する対で、対の一方に信号を注入して対の他方で電流を読み取ることによって、「読み出す」ことができる。注入される信号電圧は普通３〜２０ボルト・ピーク−ピークという範囲内にある。
【０１３５】
各７本の光ファイバの紐１００’から成るロープ９９が図３０に示されている。ファイバの紐（図２１のような）を思い出させる構成で、７本の紐から成るロープは、中央の紐が６本の紐によって対称に取り巻かれている。通常、中央の紐が感知できるようにされる一方、各紐における中心のファイバは通常そうなっていない。通常、紐自体が時計回りに巻かれている場合、ロープは反時計回り方向に巻いて形成される。また、この逆も同様である。この逆回りの原理が、ロープを示す図３０と、その１本の紐を示す図３１とに図示されている。
【０１３６】
図３１は、図３０のロープ９９の紐１００’の詳細を示しており、これは紐一般を代表している。ファイバ１０１，１０２，１０３は、それぞれ、センサの３つ組で処理され、曲げ損失感知ゾーン１１０，１１１，１１２を有する。別の３つ組は、ファイバ１０４，１０５，１０６とゾーン１１３，１１４，１１５とによって形成されている。ゾーン１１５は他のファイバによって隠されている。この例では、感知ゾーンは１ピッチ長さよりも長い。ゾーン１１３と１１４は紐に沿って２回見るには十分なほど長く、１１３Ａ，１１３Ｂ及び１１４Ａ，１１４Ｂと記されている。ゾーン１１０，１１１，１１２は、それらの長さの短い部分だけしか見えていない。損失ゾーンは、長方形のハッチングで描かれており、図の左端でファイバの切断された端が示されているところではサイズが誇張されている。
【０１３７】
図３２，３３，３４（ａ）は、図３１の紐のステーション１１７，１１８，１１９での断面を示しており、これらはほぼ１ピッチの長さ（らせんの完全なひと巻き）の両端と中央である。３つの断面において、中心コア１０７を取り巻いているファイバは周上の順番は同じであるが、各ステーションで約１８０度回っていることが示されている。それにも拘わらず、前に説明した理由により、ファイバに捻れを加えずに紐が作られた場合、ゾーンはどの断面でも同じ角度に向いてとどまる。ゾーンは図式的にコード線で示されている。
【０１３８】
図３４（ｂ）は、図３０の紐で構成されたロープの一変形例を示し、紐がすべて同じ長さでなく、その結果テーパが付いたロープになっている。各紐は、所望の軸方向感知位置に達するに必要な長さしかない。これによって、ロープのより遠方に近い部分ができるだけ小さくフレキシブルであることが確保され、医学的用途ではそれがしばしば重要になる。ロープ８１０は紐８１１から成り、紐は、場所８１２，８１３，８１４，８１５，８１６、及びロープの背後になって見えない第６の場所で反射体構造又は入れ子の帰還ループで終わっている。同じような仕方で、図２１に描かれているような紐は、ファイバから成り、各ファイバは異なる軸方向位置でミラーで終わっている。ファイバから成る紐は、少なくともそれらの遠方端に近いところでは接着剤、らせん状の細かいファイバのラップ、又は圧縮バンド、によって固定される。
【０１３９】
リボン又はロープなどの細長いセンサの構造は、さらに全体を成形して屈曲を付け加えることができる。ロープ形態でこのように「二重成形」されたセンサが図３４（ｃ）に示されている。ロープ９９は、図３２のファイバ１０１〜１０７のような成形ファイバから作られた紐１００から成る。ロープは、例えば円筒上に巻いてロープを軟化点の近くまで熱することによって、らせん形に成形されている。冷却すると、ロープは全体的ならせん形状を保つ。それには、ロープのすべての部分の位置と方位を報告するセンサ・ファイバが既に取り付けられているので、得られた構造の伸びをその全体の形状と共に感知することができる。結果として、延伸可能なサイクリック・センサが得られる。これは、例えば、腕や脚のまわりに用いて、いろいろな四肢の長さで関節の曲げや四肢の回転を感知することができる。また、２つの可動物体の間の６つの自由度における変位を測定するのに利用することもできるだろう。
【０１４０】
また、二重成形されたセンサは、フレキシブルな部材に後から取り付けられて、その部材の６つの自由度の位置と方位の測定を可能にする。例えば、それをフレキシブルな内視鏡のまわりに取り付けたり、コンピュータのマウス・ケーブルのまわりに取り付けたりできる。
【０１４１】
同様のリボン形態の延伸可能なセンサが図３４（ｄ）に示されている。これはリボン９９’から成り、そしてこのリボン９９’は、さらにリボンに対する曲げを感知でき、且つ二重成形された場合にはその二重成形された部材の捻れにも応答することができるファイバ１０１，１０２，１０３，１０４（数は図示の便宜上限られている）から成っている。図３４（ｄ）に示されているリボンは、図４６に示されている波状リボンで置き換えることもできるが、その場合は二重成形されなくても捻れと曲げを感知する。
【０１４２】
図３４（ｃ）に示されているセンサは、３つの主な空間周波数成分でサイクリックに繰り返されるセンサ構造であり、それは各成分パートの空間的なカーブが形成する３次元のウエーブによって記述される。１つは、紐の内部での各ファイバのらせんウエーブである。もう１つは、ロープの内部での各紐のらせんウエーブである。第３番目は、センサ全体のらせんウエーブである。第３のウエーブ形態は、ある種の測定の精度をより高めるような働きをする。そのような構造は、局所的に急激な曲げや捻れが生じる見込みがほどんどなく形状に順応できるからである。
【０１４３】
別の形態が図３５に示されている。これは、４１２，４１３，４１４という３つのファイバから成るリボンで作られる円筒４１１を表している。リボン４１５は編み合わせられている。曲げと捻れに対する感度が処理によって付加され、例えば、曲げと捻れセンサ対を表す４１６Ａ，４１６Ｂに示されている。この場合捻れの感知は必ずしも必要でない。何故なら、フレキシブルな内視鏡やホースなどの中心コアに取り付けられた場合、この構造はほとんど捻れを許容しないからである。４１７−４１８における円筒の断面が図３６に示されている。図３５，３６の編み合わせ構造は電気ケーブルを巻くのによく用いられる。軸方向に圧縮することによってその直径を拡げることができ、引き延ばすことによって縮めることができる。
【０１４４】
図３７は、図３５の端４２５が丸い形態の円筒を示し、その全体の断面形状を表している端４２５は円形である。図３８は、同じ編み物の卵形形態を示し、これは卵形のものを収めるのに用いられ、その場合は曲げに対して多少敏感になる。図４０は、図３５の二重壁形態の断面を示す。図３９の形態はリボンのようにほとんどフラットであり、その場合捻れの感知が非常に適切である。３つの形態はすべて図３５に示されているものと同じセンサを用いることができる。二重壁は側方へつぶれるのを防止し易く、捻れに対して抵抗する。
【０１４５】
図４１は、図３５のような編まれた構造でバルーン４５３などの構造を被覆することができるものを示している。バルーンはチューブ４５２によってふくらませることができ、その形状は編み物に含まれた曲げセンサで感知され。これは、血管形成術やチューブとパイプの膨張の感知に応用できる。また、編まれた構造は、自己支持的な構造である。バルーンやパイプを中に収めずに編まれたものを軸方向に圧縮して成形することができる。それ故、センサを用いて、圧縮における軸方向の変位や、両端に加えられた力とモーメントによって生ずるどんな曲げや捻れをも測定することができる。また、それを指や他の四肢に取り付けて２つの自由度での曲げを感知できる。図４２は、ボールを中に収めている球形端編物を示す。
【０１４６】
コアのラッピングが行われるすべての構成で、ラッピングの後でコアを取り出すことができる。スペースは他の機能に用いることができる。すべての構成で、ファイバにポリマー、例えばポリウレタン、フレキシブルなエポキシ又はシリコンを含浸させて保護や適当な弾力性を与えることができる。もちろん、同様な目的で、ファイバから成るロープや円筒をチューブの内側に配置することができる。
【０１４７】
図４３は、らせん状に巻かれたテープ（リボン）又はロープ形態のセンサ・アレーを示しており、簡単のためにこれを「ストリップ」と呼ぶ。それが人の背中及び腕のまわりで、上腕部、前腕部、及び手にわたって巻かれている。一般にらせん状のラップは、このストリップが人の形状の輪郭に、（もしもテープであれば）広い面が皮膚に沿うようにしてぴったりと合致することを可能にする。背中上の部分も、意図的に左の腰に始まって曲げと捻れを含む経路で右の肩を通っているので、ほぼらせん形になっている。背中の曲がりに対して、すべり易い衣服のチャンネルなどの機械的工夫を必要とすることなく背中とテープの間のスリップに対応しながら追従できるためには、これは重要である。ストリップは、インターフェース・ボックスからストリップの先端まで連続的に配置されたセンサを備えるようにできる。同様の設置は、脚上にでも、首と頭上にでも可能であり、それによって全身の形と運動を捕捉することができる。らせん形態は、ぴったりしたフィット、形の完全性、スリップを必要としない延伸可能性、そして皮膚と骨格のモデルを数学的に構成するのに利用される主要な特徴を浮かび上がらせることなどの有用な性質を与える。それらの利点は、従来技術である’６７２特許のセンサにも、本発明の開示で記載されるロープ及び織物形態にも当てはまるものであり、それを以下で説明する。
【０１４８】
らせん形態のぴったりとしたフィットが可能になるのは、曲がったり捻れたりした部材が、広い長方形のクロスを有する部材を使用しても曲がった表面にフラットに乗ることによる。信号線はコアの内側にあってもよく、歪みワイヤだけが外側にある。感知部分は、光ファイバ・アレーで用いられるものと同様なアレーに配置されて、軸方向の特定セクションに感度を有するようにすることができる。
【０１４９】
らせん形態は、ほぼ自己維持的であるので、形の完全性を有すると言うことができる。巻き戻さずに四肢から取り外した場合には、それはらせんの形状を保とうとする。袖又はズボンの足に組み込まれた場合、布とセンサ・ストリップから成る衣服は、らせんの力及びモーメントと衣服に加えられる張力との間の共同作用によって円筒状の形をとる。衣服が付加されなくても、センサが四肢と部分的にしか接触していなくても、らせん形は保たれ、それによって四肢の全体的な形態のスムーズな測定を助ける。
【０１５０】
らせん形は延伸性があり、端から端までの正味のスリップを必要としない。これは背中と四肢の運動を追従するのに重要である。センサは、その長さに沿ってスムーズに分布された曲げと捻れのおかげで運動に伴って延伸したり圧縮したりし、引き続く半巻きで延伸が圧縮でバランスされ、軸方向に配置されたセンサに内在する加算的な長さの差に対応するための追加の機械的工夫を必要としない。
【０１５１】
自動的な「特徴検出」は、腕や脚にフィットされたサイクリックな構造、又はその他の付加物によって与えられる価値ある性質である。例えば、図４３のセンサ・ストリップは、いろいろな長さの四肢にフィットされながら、四肢のセグメントあたりの巻き数が常に同じになるように配置することができる。図４３では、ストリップは上腕部と下腕部のまわりで、それぞれ、１．５巻きになっている。標準のポーズ（「ホーム」ポーズ）、例えば前方で、水平に掌を下にして真っ直ぐに伸ばしたポーズで腕を保持した場合、センサの曲げの繰り返しサイクルを自動ソフトウエア・アルゴリズムに用いて、皮膚と骨格を含む腕の数学的なグラフィカル・モデルを形成するのに使用される主要な特徴を腕に沿って定義することができる。
【０１５２】
自動的に特徴を検出するための好ましい手段は、図４３における腰にあるインターフェース・ボックスのセンサ領域の始めから手までの「端−端」ラインを３次元空間で計算することである。次に、この端−端ラインからセンサ・ストリップのすべての部分までの距離を、端−端ラインに直角なラインを数学的に立ててセンサ・ストリップの各部分に触れることによって計算する。これらの距離を、端−端ラインに沿った増加分に対してプロットすると曲がりくねったカーブが得られる。このカーブに沿った第１のピークは肩である。肩から肘までにストリップがひと巻きする場合、次のピークの場所は肘である。前腕部のまわりでもうひと巻きがあれば、次のピークの場所は手首である。
【０１５３】
他の主要特徴は、最小距離、又は谷間を見つけることにある。最小距離、又は谷間は、近くのピークに対してらせんを約１８０度まわったところである。内挿を用いて、９０度又はさらに細かい特徴も見つけることができる。ホーム・ポーズを捕捉する際にこれらの特徴を記憶しておくと、その後それらをすべてのポーズで用いて主要特徴に対応するセンサ・ストリップに沿った位置を同定することができる。主要特徴は、皮膚と骨格のモデルの計算を可能にする。
【０１５４】
この方法は、センサ・ストリップを着ける人に、四肢のサイズに関わりなくスケールされる皮膚と骨格のモデルを提供する。これは、四肢セグメントあたりの知られた巻き数でストリップを巻いてホーム・ポーズをとるだけで、四肢の長さの測定を別に実行する必要がない。当然、ホーム・ポーズは四肢の長さ及びすべての特徴の場所に関するスケールを設定するのにも利用することができ、やはりホーム・ポーズの際のセンサ・ストリップ以外には何も測定器具は用いられない。
【０１５５】
２つのホーム・ポーズ、例えば、上記の水平ポーズと、もう１つの、手を垂直に２０ｃｍ高く保つというようなわずかな垂直リフトのポーズとは、四肢のデータ・セットを公知の関係でバーチャル環境の軸に方向付けすると共に、多数の四肢の（例えば、腕と脚に関する）データ・セットをバーチャル環境に又は世界座標系に対して同じ関係を有するすべてに方向付けするための手段を提供する。
【０１５６】
骨格モデルは、センサの始め（この場合、インターフェース・ボックス）からセンサ・ストリップに沿った各点にかかる「Ｒ」ベクトルを用いて計算できる。最初に、センサ・ストリップに沿ったＲ端点値の移動平均を用いてバーチャル・カーブが計算される（平均という用語によって、ベクトルがｘ，ｙ，ｚ成分を有することを意味する。なお、ｘ成分はｘ成分の和を個数で割ったものであり、ｙ，ｚも同様である）。例えば、この平均がらせんのひと巻きのほぼ半分を含む場合、カーブはらせんの中心近くにある。カーブはらせん形のうねりをいくらか有するが、振幅は小さくなっている。個数（一度に平均されるベクトルの数）を用いてうねりを小さくすることができる。この中心線の部分を用いて骨格を定義する。各部分は主要な特徴を用いて決定される。例えば、下腕の「骨格」は、肘の近くの平均されたＲベクトルと手首の近くの平均されたＲベクトルとの間の直線として計算できる。
【０１５７】
「皮膚」モデルは、テープに沿ってサイクリックに繰り返される点を骨格に対してほぼ軸方向にある線で結ぶことによって形成される。センサ・ストリップを表す３Ｄカーブと「軸方向」の線との組み合わせは、皮膚を示す視覚的に強制力のある面を形成する。繰り返される点の例としては、各センサの軸方向中心を次のセンサの軸方向中心に解析的に結合することがある。普通、結合する線はらせん形になり、そのピッチは選ばれた点による。スプライン関数を適用してこのモデルを表面に仕上げることができる。
【０１５８】
らせんカーブの弦を成す他の線を用いて、「骨格」の進行ベクトルを決定すると、骨格は、単にそれらの端の３Ｄ座標を有するだけでなく、ロール角、ピッチ角、ヨー角などの方位情報とも結びつくようになる。例えば、前腕部の下のテープの２つの特徴点を結ぶ弦を単位ベクトルに還元して、それを用いて前腕ラインの単位ベクトルの形との間のベクトル積を求めることができる。得られたベクトル積のベクトルは、ホーム・ポーズではほぼ垂直に向いており、その後のすべてのポーズでは前腕のロールに追従する。ロール角の「ゼロ」に対してホーム・ポーズを用いてホーム・ポーズのロールからのずれとしてロール角を定義すると、ホーム・ポーズでは「ほぼ垂直」というのを「正確に垂直」にグレードアップすることができる。
【０１５９】
いったん「皮膚」と「骨格」が知られたら、その長さに沿ってすべての点における四肢の半径も知られ、半径の変化を用いて筋肉の輪郭を決定することができる。
【０１６０】
上記の方法はセンサ・ストリップのすべての部分を用いて骨格と皮膚の特徴を定める。これは、各関節の近くの個々の孤立点の感知に基づく方法に比べて運動と変化する皮膚輪郭とに影響されにくい。
【０１６１】
図４５（ａ）に示されている変形例では、腕のテープがその平面内で波状だったり、曲がりくねったりしている。詳しい構成は図４６に示されている。ファイバが並んだ「リボン・ケーブル」がその面内で曲がりくねっている。ミラー１２０を用いて、光を他端の結合器に戻す。この構成でループを用いて光を戻すこともできる。図示されているこのセンサ・テープの小片では、各ファイバが１箇所だけ処理されている。実際には、ファイバを何箇所も処理して曲げと捻れのセンサをもっと大きな拡がりにわたって分布させることが望ましいことが多い。各ファイバ対、例えば２６０−２６１又は２６２−２６３、は曲げ−捻れ対を形成する。処理２５０Ａ，２５０Ｂが主な捻れ軸に沿ってほぼ直交し、２５１Ａ，Ｂも同様であり、且つ図４４の２４５に示されているようにこれらのセンサ部分が中間線に対して斜めになっているからである。曲がりくねっていることが曲げと捻れの両方を感知することを可能にして、曲げによる引き延ばしの効果を減少させる。ファイバをフレキシブルな入れ物の中立軸で保持するか、又はファイバを並べて接着すると、他の支持体なし又はほとんど全くなしで用いることができる。
【０１６２】
上述のように、この種のリボンは波状のファイバを接着して作ることができる。もしもこのようなファイバが厳密に正弦波状の中立軸を有するならば、他のファイバに結合するファイバのエッジは真に正弦波状でなく、それらはいくつかの点でしか結合しないということになる。しかし、このような構造は、長さに沿って接着された波状のファイバから作ることもできる。しかし、この場合は真に正弦波状になるのはファイバのうち１つだけである。
【０１６３】
この例では、リボンの一方の側にある処理を示した。これは製造に便利な形である。曲げ又は捻れが空間的に集中している場合の応用では、対のメンバー２５０Ａ，２５０Ｂ、又は２５１Ａ，Ｂの軸方向の場所の差が望ましくないことがある。その場合、ファイバ２６０，２６１などの対のメンバーを、それぞれ、軸方向の同じ場所においてリボンの反対側で処理することができる。その場合、処理は反対方向に向いて、曲げと捻れを一通りに分解する（センサは、曲げについては反対の信号を生じ、捻れについては共通モード信号を生ずる）。
【０１６４】
その面内で波状のリボンは、「フラット・ロープ」の「紐」成分に成ることができる。このことは、１つのリボンの１つおきのウエーブを別のリボンのウエーブに織り込むことによって行われる。各リボンのウエーブがリボンの「ＸＹ」平面にある場合、織り込みはそれぞれにリボンの平面の外の「Ｚ」方向にウエーブを作り出す。２つのリボンの組み合わせは、１つの「部材」となって、自由に曲げたり捻ったりできる。らせん形に巻かれたロープと同様、曲げから外へ向く法線を有するウエーブの表面は、曲げの中心へ向く法線を有するウエーブの表面よりも大きくカーブする。より「３次元的」なロープと同様、正味の伸び及び圧縮はゼロになる。この構成は、部材のサイズや剛性の増加を最小にしながらセンサの数を２倍にするために利用できる。各リボンが部材の中立軸から全部外へ向くセンサを有しても、各リボンが混合した向きのセンサを有してもよい。また、第３のリボンが織り込まれてもよく、またその織り込みを任意の数のリボンに拡張して、任意の拡がりの表面を作り出してもよい。ファイバはもはや部材の中立軸にはないけれども、「フラット・ロープ」が曲がったり捻れたりしても、リボン間にはリボンの全長に沿って正味のスリップを生ずることは要求されない。図４５（ｂ）には織り込まれた２つのリボン８００，８０１が示されている。リボンは平面的で、それらの面内で波状であり、ファイバ８０２から成る。織り込み方法の１つの変形例が図４５（ｃ）に示されている。
【０１６５】
これまでに、’６７２特許及びその先行技術で明らかにされたセンサ処理を用いてファイバ上にセンサを作り出すことができ、ファイバを機械的に関連づけて別の機械的基体を必要としないセンサ部材を形成することができるということを示した。部材は、個々のファイバにはない機械的性質とセンサ特質とをもつ。上述のように、他の光ファイバを追加して、基準ファイバ、照明ファイバ、又は光帰還ファイバとして用いることができる。
【０１６６】
０．２５ｍｍのプラスチック光ファイバを用いてロープの作業プロトタイプが作られた。それらは６つのループ・ファイバの紐から成り、各紐は直径が０．７５ｍｍで、１つの３つ組センサ・ゾーンを有した。６つの３つ組はロープが３Ｄ形状を感知することを可能にする。他のロープは、ミラーを備えた端部を有する形、方向性結合器を有する形、及びこの記述で説明された変形例の大部分の形、例えば２本の、及び３本のファイバ・ロープ、ロープに沿って分布するセンサ、大きな基体ファイバ上で反対回りの層、捻れを感知するための捻れ増強ゾーン、他のファイバ処理なしに捻れ及び曲げ感度を生ずるための付加らせんワイヤ、を有する形で作られた。これらのプロトタイプのフレキシビリティと強度はナイロンの機械的ロープと同程度であった。短い（１．５ｃｍ）ロープの端での位置分解能は１ｍｍよりも高かった。人の四肢及び機械的リンクのまわりにテープをらせん状にラップしたものの有効性もプロトタイプで実証され、曲がり易さの精度と緊密度はリボン形態による従来技術のそれを上回った。また、他のいろいろなパッキング、例えば多層ロープや編み込まれたロープも実証された。ロープ及びケーブル製造業者の指針となっているものと同じパッキング原則がセンサ・ロープの構成においても指針となる。２，３，７，１３，２０等のファイバを中心コアのまわりにパックするか、又は自身で支持させるようすることにより、好適な、コンパクトでフレキシブルなロープを形成することができる。一般に、多すぎるファイバを１つの均一なロープにパックするよりも、むしろファイバの紐を用いる方が有利である。
【０１６７】
紐の存在は、ロープ又は編みひもの内部で、いろいろな軸方向又は側方のアレー組織を可能にし、以下で述べるような織物の２Ｄ組織に類似した構造も可能になる。表現を簡単にするために、「ロープ」の例を用いる。例えば、各紐が軸方向の場所を有し、ロープのその軸方向場所でのすべての曲げ及び捻れ感知が望まれるという場合がある。場所と言う用語を用いたのは、それが点（又は、すべてのセンサは何らかの拡がりを有するから、点に近いもの）を指すことも、分布センサが用いられる場合のように、相当な長さを指すこともあるからである。あるいはまた、紐はロープに沿ったすべての場所で１種類のセンサを有し、例えばすべてが「Ｘ」曲げセンサであるかもしれない。別の紐はすべてが「Ｙ」曲げセンサを有するファイバを含むであろう。別の紐はすべて「捻れ」センサを含むであろう。さらに一般に、「Ｘ」，「Ｙ」、及び「捻れ」によって、「一般的に周上でほぼｘ度に向いたセンサ」、「一般的に周上でほぼｘ＋１２０度に向いたセンサ」、及び「一般的に周上でほぼｘ＋２４０度に向いたセンサ」、を意味する。また、紐のサイズを小さくするために、又はロープ内により多くのセンサを収容するために、「すべての「Ｘ」等のセンサ」という用語を「「いくつかのＸ」等のセンサ」という用語で置き換えることができる。別の変形例では、ロープ又は紐の内部で冗長センサが用いられる。冗長性を利用して、各場所で３つの未知量の３つよりも多くの方程式を解くことによって精度を高めることができたり、最良の方位のセンサを選択してその他のものを無理に使用しないようにしたり、破損に備えたりすることができる。冗長性は、破損や校正の困難がある程度予期される織物や衣服において特に重要である。
【０１６８】
また、本発明は光ファイバで構成される必要はなく、電気的な抵抗性のあるファイバ、例えば曲げ又は曲げたときの歪みに敏感な歪みゲージ・ワイヤや、同様な構造の導電性高分子ファイバなどの他のファイバから構成されることもできるということは明らかであろう。この原則は、ロープ、紐、及び布形態にもあてはまる。また、この構成は、容量感知にも使用できる。その場合、曲げと捻れによってファイバの１つの領域内での近接度が大きく又は小さくなることがファイバにもたらされて変調が達成される。すべての電気的構成で、絶縁物を用いて隣接する紐の導体を隔離したり、容量感知のために知られた誘電性質を生成したりすることができる。
【０１６９】
図４７には、バイポーラ歪みゲージ・センサ構造４５４が示されている。ワイヤ４５５，４５６，４５７，４５８は、歪みによってそれらの抵抗が変化するので伸びに敏感である。４つを一緒に用いて、２つの軸でのバイポーラ曲げ感知に用いることができる。これは図４７の下向き曲げ構造の断面を表す図４８に示されている。この曲げによって、上方のワイヤ４５５，４５６は引っ張りに、下方のファイバ４５７，４５８は圧縮になる。ブリッジ回路を用いて垂直及び水平の両平面で曲げを測定できる。２軸曲げ感知用の市販のデバイス（バイオメトリクス社（Ｂｉｏｍｅｔｒｉｃｓ Ｉｎｃ．）製）も同様の原理に基づいている。
【０１７０】
図４７のセンサに基づく本発明によるロープが図４９に示されている。ワイヤのグループ４５４は、小さな機械的ファイバ４５７でラップされてグループがそれらの軸のまわりで回転でき、これにより、中心コア４５８のまわりに巻かれてロープ４５６になるときに捻れゼロの状態を維持することができる。中心コア４５８は電気的結合が帰還するためのスペースになっている。図５０や図５１に示された異なる軸方向場所における断面は、４つの４５４Ａや４５４Ｂのグループが任意の軸方向場所であっても同じ方位にあることを現すことによって、捻れゼロの状態を示している。
【０１７１】
ワイヤは、歪み感知部分４６０の端に信号搬送部分４５９を備えて成る。信号ワイヤは歪みワイヤに溶接されても、その他の結合手段で結合されてもよい。４つのグループは特定平面で等価な「向いている」方向を有する。各々が直交する曲げ成分の読取値を与える。さらに歪み感知ワイヤ、例えば予め捻られた対を、予め捻られた光ファイバについて述べたことと同様な仕方で追加することによって捻れも感知することができる。
【０１７２】
また、本発明のサブセット、特に光ファイバに関する部分が実行できるものであることは明らかであろう。例えば、１軸曲げセンサは、ロープを巻くことによって形成され、すべてのファイバに共通の「バルク」イルミネータを用いて、すべてのファイバからの帰還する光を同時に且つ加算的に「バルク」検出器（例えば、すべての帰還ファイバによって照らされるフォトダイオードと増幅器）で感知することができる。本実施の形態では、センサがロープの軸方向の線に沿って損失ゾーンを作り出すことによって形成され、ロープのすべてのファイバがその線に沿って影響を受ける。また、ロープ軸に沿って第１の線に沿って影響を受けるファイバを交互にして、次にロープをその軸のまわりで９０度、又は別の所望の角度だけ回して、残された未処理のファイバを処理することもできる。直交して処理された２つのグループのファイバが、単軸の場合と同様に２つの「バルク」のイルミネーターとセンサとによって感知されて、２軸曲げセンサが得られる。明らかに、この原理はセンサの３つ組にも適用でき、捻れ感知を加えることができる。このように、「サブセット」をスーパーセットへと、有利に変えることができる。有利な点は、光レベルの増加、及びファイバが破損した場合の冗長性である。
【０１７３】
また、上述のような本発明による部材は、ロープであるよりもむしろ布であることも明らかであろう。この形態では、シートはセンサ・ファイバ自身で構成される、すなわちファイバが「基体」を形成する。センサ・ファイバで作られる布のシートは平坦であっても、円筒形でも、又はバルーンの形であってもよく、袖、体積センサ、エアーバッグ、血管形成術のデバイス、呼吸センサなどの用途が考えられる。
【０１７４】
光ファイバ５００から成る織られたセンサ・シートの１例が図５２に示されている。１つのコーナーだけが示されており、そこには縦糸５１０と横糸５１１のファイバが含まれ、それぞれ、上のエッジと右のエッジでループで折り返している。変形例では、縦糸ファイバが上のエッジにミラーを備えることが多く、ループで折り返さない。規則的な間隔をおいた水平及び垂直の場所５１２で、織られたシートの平面から光が失われるように縦糸ファイバ及び横糸ファイバを処理することによってセンサ対が形成される。普通、特定のファイバは１箇所又は近接する数箇所だけで光を損失するように処理されるので、２つのファイバが１つの交差点又は交差点の近くの狭い領域における屈曲の感知にあてられる。織ることによって自然に対角線パタンが生ずるので、曲げと捻れの両方の感知が対又はグループで得られる。処理された交差点が図５３に示されている。それは、狭い帯５１３と５１４で光を失うように処理されたファイバ５１０と５１１を含んでいる。直交配置はその場所のすべての角度の曲げと捻れに対して敏感であり、シートを既知の曲げと捻れで校正することによってすべての曲げと捻れをその場所でひと通りに決定することができる。センサは、２つのエッジから送り込まれ、出て行く光によってアドレスされ、この２つのエッジではファイバが織物の領域を超えても続き、まとめられて束になる。
【０１７５】
図５４は、光ファイバ５００で編まれた織物の狭い帯を描いている。そこには、エッジがほどけないようにしているエッジ・ファイバ又はバンド５２０が含まれている。このパタンは、多数の標準的なニット・パタンの１つであり、「プレーン」編みと呼ばれる。他のパタンは、１９６９年、Ｖｏｎ Ｂｅｒｇｅｎ，Ｗｅｒｎｅｒによる「ウール・ハンドブック（Ｗｏｏｌ Ｈａｎｄｂｏｏｋ）」第２巻（Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ社（Ｎ．Ｙ．））の第５２２〜６３２頁に記載されている。同様な効果は、リブ編み、裏編み、その他の多くのパタンで得られる。平面の形で描かれているが、編物は靴下や袖が円筒形やその他の体積を包含するのと同様な仕方で体積を包含する。各ファイバは「横の目」を形成し、連結されたループの垂直の列が「縦の目」を形成する。図５４の織物は、選択された場所でファイバを処理することによって感度を有するようにされる。これは図５５に示されており、ファイバ５００は場所５２１Ａ，５２１Ｂで処理され、ファイバ５０１は場所５２２Ａ，５２２Ｂで処理される。処理５２１Ａ，Ｂは、垂直に対して右へ約４５度の方位を有し（「＋４５度」）、処理５２２Ａ，Ｂは、垂直に対して左へほぼ同じ角度の方位に向いている（「−４５度」）。このように、ファイバ５００，５０１は、２つの縦の目５０２，５０３にわたって分布された、ファイバ５００，５０１が定める横の目に沿って曲げと捻れを感知できるセンサ対を形成している。同じ効果は、各ファイバを図５６におけるように各曲がりに対して２つの処理５０３Ａ，５０３Ｂが、どちらも＋４５度で、又はどちらもＢ４５度で形成されるように処理した場合にも生ずる。この例では、すべてのファイバが縦の目に沿ってではなく、「水平の」横の目で通っているので、すべてのファイバはシート又は体積があるセンサから１つのエッジ又は対向する２つのエッジで出て行くことができる。
【０１７６】
図５７は、ファイバ５００上の水平の処理５２４とファイバ５０１上の垂直な処理５２５とから成る別の処理形態を示している。
【０１７７】
図５８は、編み合わされた２つのセンサ・ロープを、センサ織物の一部の例として示している。この方法は、多くのセンサをより多く織物に組み込むことを可能にし、単一のファイバから編まれた織物においてセンサの角度が正しく感知されないような仕方で角度を変化させる引き延ばし効果からより独立している。突き出て、圧力がファイバを他のファイバに押しつけることを防ぐカットオフ「プラシ天」又はベロア紐を組み込むことによって、圧力感度を減らすことができる。あるいは、交差点における圧力感度を利用して形と圧力を組み合わせた感知を生み出すこともできる。
【０１７８】
図５８のセンサ・ロープは、曲がりくねった形に「二重成形」されたと考えることができるから、図３４（ｃ）と３４（ｄ）に示されている二重成形されたらせんと同じ性質、すなわち３Ｄ及び６つの自由度で測定する能力と延伸性の組み合わせとを有する。この場合、曲がりくねった波形はらせんではなく、むしろほぼ２次元の波であり、その形が織物の中の他のロープとの多数の接触、若しくは熱成形のいずれか一方によって、又は熱成形と接触の組み合わせによって維持される。熱成形の代わりに接着剤を用いてもよい。
【０１７９】
図５９には、ファイバ５００と５０１で作られた編まれた織物の一部が示されており、処理５２７を有するセンサ・ファイバ５２６を２つの横の目のループの間にトラップさせた形で含んでいる。これは、ループでの感知と真っ直ぐファイバでの感知とを組み合わせることを可能にする。図６０は、編まれた織物に対角線方向にトラップされたファイバ５２６を示す。水平及び対角的なトラップは、織物内の曲げ及び捻れ感知の変形例を可能にし、ループにした織物だけの場合に対してセンサ密度を高めることができ、多くの微小曲げ損失を誘発しすぎる詰まったパタンを必要としない。
【０１８０】
上で見たように、織られた構造によって、同様にらせんロープとらせんテープによっても、本出願及び’６７２特許からの曲げ／捻れと圧力感知との組み合わせのクレーム／記載はロープ又は布で効果を奏することができる。織ることと編むことによってファイバ又は紐の曲がりくねった構造が形成され、それを用いて形（低空間周波数の曲げから生ずる全体に分布した曲げ又は捻れ応答によって）と、高空間周波数の屈曲という変形から生ずる圧力との両方を感知できる。
【０１８１】
この原理の延長として、形、圧力、及び他のいろいろな環境変数、例えば液体の存在、を感知するアレーを構成することができる。らせん形態は、他のセンサ原理にも、例えば最近出願されたＰＣＴ出願番号第ＰＣＴ／ＣＡ００／００５１２号のセンサの原理にも適用できる。すなわち、らせんに沿って隣接するファイバを透明ポリマーのレンズ状の層で結合して、らせんの曲げと捻れに応答するセンサを構成することができる。レンズ状の層に着色して、感知に用いる光の波長を変えて同じ２つのファイバの異なるセンサ領域にアクセスすることができる（それらの面の外へ同時に曲げられた２つ以上の隣接するファイバに関しては、上記の最近の特許出願で明らかにされたもの）。レンズ状の領域はまた、同じ最近の特許出願に記載されているように、液体又は圧力に対する感度を与える。同じ出願に記載されている端のループも液体又は圧力を感知するのに利用できる。
【０１８２】
レンズ状の形態の他に、らせん及びループにした織物形態自体を圧力及び形を感知するように修正することができる。必要なものは、敏感な構造の他の部分に対して、１つの場所における曲げに対する感度と、その場所へ力を伝達する手段だけである。例えば、ロープへの指の圧力が局所的に屈曲に影響を及ぼしてスループットの変化を生ずる。上で、曲がりくねりがあるファイバ光学リボンでは、曲がりくねりが圧力を感知する手段となるものを記述した。らせん形では、曲がりくねりが３次元で存在し、同様に利用できる。校正には、曲げと捻れからの信号対圧力からの信号に十分に区別できる差があることが必要である。このことを、曲がりくねったリボンで用いられるのと同じ手段、すなわち相対的な空間周波数成分による区別、によって満たしてもよい。
【０１８３】
この記述には、規則性をもって又は知られた不規則性をもって、ある拡がりにわたって繰り返される多くのセンサ・パタンが含まれている。物体の３Ｄ形状がセンサ・パタンからのセンサ出力によって決定できることが示された。’６７２特許にはリボン・センサをらせん形に配置して、らせんに沿った曲げと捻れという既知で一定の場を用いてリボンをセンサとして校正することが記載されている。本出願は、らせん及び他の繰り返される波状構造、例えば、ニットや織られた織物、をさらに利用して、感度が知られた方向を有する間隔で繰り返されるセンサを作り出している。知られた方向というのは、処理された織物の交差する対におけるように、織物の平面内の方向であってもよい。この場合、方向はファイバの軸の角度によって、又はファイバ若しくは巻かれたらせんなどの親ボディーの外周のまわりの方位角によって記述され、方位角とは軸に対するファイバ・センサの感度の平面である。繰り返しの周波数の操作を利用して、空間的に離散的又は連続的なセンサ及びセンサのアレーを作り出して、広範な所望の空間的感知属性をカバーすることができる。いずれの場合にも、利用するためには組み込まれた曲げと捻れを操作して加えられた曲げと捻れの感知を高めることが必要になる。らせんは、曲げと捻れによって完全に記述されるので、計画された繰り返しに特に適している。編まれたり織られたりした織物も、繰り返される感知方向を利用するための計画された枠組及び構成方法を提供し、またそれほど一定ではないが、やはり繰り返される仕方で知られた曲げと捻れを含んでいる。これらの構造はすべて、ファイバ自身以外の材料を用いないで作り出すことができる。
【０１８４】
校正は、ロープについて図１６を参照して説明した。波状リボン及び編まれた波状リボンなどの平面形態は、以前の’６７２ 特許に記載されているように、基体を含むリボンを校正するのに用いられるものと同様の手段によって校正される。平面的な織物は、すべてのセンサをすべての自由度で含むのに十分な数のポーズを用いて校正される。何れの場合にも、校正には所定の場所内の自由度と同数の未知数を含む連立方程式を解くことが必要であり、前記の場所におけるセンサは、存在することが知られている束縛条件を考慮に入れて少なくとも自由度に等しい数にしなければならない。各方程式は、与えられた校正ポーズでその場所のセンサに生ずる曲げと捻れを記述する。センサが非線形である場合、各所望のレベルの強度分解能でセンサ出力を特徴づけるに十分な数のポーズを含めなければならない。精度の数字は、基体を含むセンサについては’６７２特許で与えられた。本発明の精度は、ロープの場合について図４４と図４５の説明の直後に論じられている。すべての形態で、精度は基体を含むセンサの精度に比べて向上する傾向がある。これは、成形ファイバには、正味の伸び又は圧縮がなく、正味のスリップがない傾向があるからである。
【０１８５】
以上は、本発明をどのように適用し実施することができるかを示す具体的な実施の形態の説明であった。これらの実施の形態は例示的なものでしかない。本発明は、特許請求の範囲において、最も広い、もっと具体的な側面でさらに詳しく記述され、明確にされる。
【０１８６】
分かり易くするために、本発明のいくつかの特徴は別々の実施の形態という形で説明されたが、それらを１つの実施の形態として組み合わせて提供することもできることは言うまでもない。逆に、簡単のために１つの実施の形態と言う形で説明された本発明のいろいろな特徴を、別々に、又は適当な部分的組み合わせの形で提供することもできる。
【０１８７】
これらの特許請求の範囲、及びそこで用いられる言い回しは上で説明した本発明の変形例によって理解すべきである。それらは、そのような変形例に限定されるべきではなく、本発明に暗黙に含まれている発明の全範囲及びここで行った開示を包含するものとして読まれなければならない。
【図面の簡単な説明】
【図１】
回転曲げジョイントとリンクで構成され、該リンクに設けられたジョイント・センサによって基端に対する遠方端の空間における位置を決定できる従来の平面メカニズムの概略図である。
【図２】
別の回転捻れジョイントが設けられた図１のメカニズムを示す図である。
【図３】
各回転曲げジョイントに回転捻れジョイントが結びついた図１のメカニズムを示す図である。
【図４】
捻れジョイントと曲げジョイントがメカニズム内で別々に配置された図３のメカニズムを示す図である。
【図５】
曲げセンサ及び捻れセンサを担持する基体を含む以前の’６７２特許によるリボン部材を示す絵画図である。
【図６】
カーブに曲げられた図５のリボンを示す側面図である。
【図７】
空間における曲げと捻れを示すリボンの絵画図である。
【図８】
らせん及びらせんのいくつかの数学的特徴を示す図である。
【図９】
らせん及びらせんのいくつかの数学的特徴を示す図である。
【図１０】
らせん及びらせんのいくつかの数学的特徴を示す図である。
【図１１】
（ａ）は、らせん状ファイバを示す斜視図であり、（ｂ）〜（ｄ）は、（ａ）のらせんの曲げを示すグラフである。
【図１２】
本発明による単純なロープ型部材を示す側面図である。
【図１３】
図１２のロープの断面図である。
【図１４】
本発明による別のロープ型部材を示す側面図である。
【図１５】
図１４のロープの断面図である。
【図１６】
図１４のようなロープ部材の校正装置を示す図である。
【図１７】
高い捻れ感度を有する別のロープ型部材を示す図である。
【図１８】
図１７のロープで用いることができるセンサ・ファイバの斜視図である。
【図１９】
同じファイバの曲げ感知部分を示す断面図である。
【図２０】
別のセンサ・ファイバを示す図１８と同様な図である。
【図２１】
さらに別のロープ型センサを示す側面図である。
【図２２】
光学回路に結合された感知光ファイバを示す模式図である。
【図２３】
ロープの成分ファイバの感知部分の位置を示す模式図である。
【図２４】
ループになった光ファイバを有するロープを示す側面図である。
【図２５】
中心ファイバを通して光を帰還させるミラーを有する光ファイバ・ロープ部材の端を示す図である。
【図２６】
図２５のロープの端を示す断面図である。
【図２７】
中心コアを有するロープを示す斜視図である。
【図２８】
（ａ）は、コアを有するロープの各部を示す斜視図であり、（ｂ）は、容量感知に依る本発明のロープ形態を示す図であり、（ｃ）は、（ｂ）のファイバのうちの１つのファイバ上の容量感知溝の細部を示す図であり、（ｄ）は、（ｂ）からの１つのファイバの層を示す図であり、（ｅ）は、（ｂ）からの２つの隣接ファイバ上の結合溝の部分を示す図である。
【図２９】
図２８（ａ）のロープの断面を示す図である。
【図３０】
光センサ・ファイバで構成される別のロープを示す斜視図である。
【図３１】
図３０のロープの１つの紐を示す同様の図である。
【図３２】
図３１の紐の断面を示す図である。
【図３３】
図３１の紐の断面を示す図である。
【図３４】
（ａ）は、図３１の紐の断面を示す図であり、（ｂ）は、テーパが付いた紐ロープを示す図であり、（ｃ）は、伸長可能なサイクリック・センサにするためにらせん形態に形成された図３０のようなロープを示す図であり、（ｄ）は、伸長可能なサイクリック・センサにするためにらせん形態に形成された平行で、且つ互いに支持するファイバのリボンを示す図である。
【図３５】
光センサ・ファイバから形成される編まれた構造を示す図である。
【図３６】
図３５の構造の断面図である。
【図３７】
図３３の構造の別の図である。
【図３８】
図３５と同様の構造であるが形が異なる構造を示す図である。
【図３９】
図３５と同様の構造であるが形が異なる構造を示す図である。
【図４０】
別の編まれた構造の断面を示す図である。
【図４１】
光センサ・ファイバから形成される織られた中空の構造を示す図である。
【図４２】
端が閉じている同様の構造を示す図である。
【図４３】
ビデオ・ディスプレーで運動を捕捉するためにリボン型センサを着けている人を示す絵画図である。
【図４４】
図４３のらせん構造のダイアグラムである。
【図４５】
（ａ）は、同様の、しかし曲がりくねったリボンを示す図であり、（ｂ），（ｃ）は、それぞれ２つの曲がりくねったリボンを有する複合部材を示す図である。
【図４６】
図４５の曲がりくねった構造の細部を示す図である。
【図４７】
ワイヤから形成される単純な感知部材を示す斜視図である。
【図４８】
図４７の部材の断面を示す図である。
【図４９】
本発明による感知ワイヤから作られるロープを示す図である。
【図５０】
図４９のロープの断面を示す図である。
【図５１】
図４９のロープの断面を示す図である。
【図５２】
本発明による感知光ファイバで織られた織物を示す図である。
【図５３】
織られた構成のファイバの感知部分を示す拡大図である。
【図５４】
本発明によるセンサ・ファイバを用いて編まれた構造を示す図である。
【図５５】
編まれた構造の成分を示す図である。
【図５６】
編まれた構造の成分を示す図である。
【図５７】
別の編まれた構造を示す図である。
【図５８】
編み合わせた２つの感知ロープを示す図である。
【図５９】
真っ直ぐなファイバも用いられている別の編まれた構造を示す図である。
【図６０】
真っ直ぐなファイバも用いられている別の編まれた構造を示す図である。
【符号の説明】
１０  センサ
９９  リボン
１００  ロープ
１０４，１０５，５００  ファイバ
１１３，１１４  ゾーン
１２０  ミラー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2004517331.tif 000011
【図６】
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【図７】
2004517331.tif 000013
【図８】
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【図９】
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【図１０】
2004517331.tif 000016
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
2004517331.tif 000022
【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
2004517331.tif 000059
【図５４】
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【図５５】
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【図５６】
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【図５７】
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【図５８】
2004517331.tif 000064
【図５９】
2004517331.tif 000065
【図６０】
2004517331.tif 000066
【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004517331.tif 000148
【国際調査報告】
2004517331.tif 000149
2004517331.tif 000150