JP5433883B2 - 光ファイバセンサ及びこれを備えた検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、所定の経路に沿った２点間の変位を検出可能な光ファイバセンサ、及びこれを備えた変位検出装置、関節動作検出装置に関する。

近年、主として関節動作を検出して、コンピュータ、ロボット、ゲーム機等の情報処理装置に入力するためのデータグローブやデータスーツなどと呼ばれる装着具が提案されている。

例えば、ゴルフスイングを解析するために、マーカを設けた衣装を装着させて複数の撮影装置で撮影し、撮影データの画像処理を行い、装着者の動作を検出することが汎用化されている。しかし、複数の撮影装置を所定の位置や角度に設置する必要があるため、設定や設置が複雑であり、且つ装置全体が大がかりとなり高価になるという問題がある。さらに、画像処理が複雑であるため、リアルタイム性に劣り、適用分野が限定されるという問題がある。

また、圧電素子を配した装着具も提案されている。例えば、特許文献１には、屈曲部位に圧電素子を配した指サックを装着し、屈曲時に生じる圧電素子の電位変化により人差指の関節動作を検出することが開示されている。しかしながら、屈曲部位に圧電素子を正確に配する必要があるが、屈曲部位には個人差があるため、多くの圧電素子が配され、配線が煩雑になるという問題がある。さらに、電磁環境の影響を受ける懸念があるため、適用分野が限定されるという問題がある。

そこで、光ファイバを配した装着具も提案されている。この場合、屈曲部位に光ファイバを通し、屈曲によって生じる光ファイバの伸縮量変化による干渉縞や曲げ変化による光損失を測定することによって、装着者の動作を検出している。

しかしながら、屈曲による光ファイバの伸縮量は微小であり、干渉波を計測する高性能な測定器が必要であり、高価になるという問題がある。一方、屈曲による光ファイバの曲げ変化に基づく光損失の変化は、一般的な光ファイバを用いた場合、微小であり、また、屈曲部位以外の光ファイバの曲げによっても光損失が変化するので、精度良く検出することができないという問題がある。また、補償用の光ファイバを配する必要もある。

そこで、特許文献２（図６）には、ヘテロコア部を有する光ファイバを配したグローブが開示されている。ヘテロコア部を有する光ファイバは、ヘテロコア部及びその近傍の曲げに応じて伝送される光が界面でリークして光損失が発生するので、リークによる光損失及びその曲げ変化による変化は、通常の光ファイバと比べて、非常に大きい。そのため、指関節の動作に応じて生じるヘテロコア部及びその近傍の曲率変化により、指関節の動作を精度良く検出することができる。

特開２００３−５８８７号公報 特開２００５−２６５４３４号公報

しかしながら、上記特許文献２に記載のグローブにおいて、経路途中の光ファイバに撓み等が生じることがある。また、グローブ本体は手に密着させるように薄厚の柔軟素材から形成されるため、指関節の動作により、グローブ本体に皺が生じやすい。また、光ファイバの経路を中空リングによって規制しているが、この中空リングに光ファイバが引っ掛ることがある。これらにより、指関節の動作による２つの固定点間の所定の経路に沿った変位に応じて生じるヘテロコア部及びその近傍の曲率変化にバラツキが生じる。そのため、指関節の動作を再現性良く検出することができないという問題がある。

本発明は、以上の点に鑑み、所定の経路に沿った２点間の変位を再現性良く検出可能な光ファイバセンサ及びこれを用いた変位検出装置、関節動作検出装置を提供することを目的とする。

本発明の光ファイバセンサは、所定の経路に沿った第１点と第２点との間の変位が検出可能な光ファイバセンサであって、異なる径のコア及び該コアの外周に設けられたクラッドで構成され、伝送する光の一部を漏洩するヘテロコア部を有し、該ヘテロコア部が前記第１点と第２点との間に位置するよう、該第１点と第２点とに固定された光ファイバと、前記光ファイバの前記ヘテロコア部と前記第２点との間の一部が固定され、摺動可能な光ファイバ固定部材と、前記光ファイバ固定部材を前記第１点に向けて付勢する付勢手段と、前記光ファイバ固定部材に固定された部分と前記第１点との間における前記光ファイバの変形を、所定の薄厚空間内に規制する規制部材とを備えることを特徴とする（第１発明）。

第１発明の光ファイバセンサによれば、付勢手段の付勢力によって、光ファイバ固定部材と第２点との間の光ファイバに張力が付与される。この張力によって、当該部分の光ファイバには撓みや引っ掛りが生じず、光ファイバと接触する部分に生じた皺も解消され得る。そのため、所定の経路に沿った第１点と第２点との間の変位に応じて、再現性良く第１点と光ファイバ固定部材との間の距離が変化する。そして、光ファイバ固定部材に固定された部分と第１点との間における光ファイバの変形が、規制部材によって所定の薄厚空間内に規制される。そのため、第１点と光ファイバ固定部材との間の距離に応じた、光ファイバ固定部材に固定された部分と第１点との間における光ファイバの変形の再現性が良い。よって、所定の経路に沿った第１点と第２点との間の変位に応じた、ヘテロコア部及びその近傍の曲率変化の再現性が良い。従って、光ファイバの光損失から所定の経路に沿った第１点と第２点との間の変位を再現性良く検出することができる。

また、第１発明の光ファイバセンサにおいて、前記光ファイバ固定部材を摺動可能にガイドするガイド部を、前記規制部材が有することが好ましい。この場合、ガイド部を独立した部材から構成する必要がないので、光ファイバセンサを小型化、簡易化することが可能となる。

また、第１発明の光ファイバセンサにおいて、前記光ファイバ固定部材に固定された部分と前記第２点との間における前記光ファイバの経路を規定する経路規定部材を備えることが好ましい。この場合、経路規定部材によって、光ファイバを所定の経路に沿わすことが容易になる。

また、第１発明の光ファイバセンサにおいて、前記光ファイバ固定部材の前記第１点側に前記光ファイバの固定角度を変更する固定角度調整部材を備えることが好ましい。この場合、光ファイバの固定角度を変更させて、光ファイバセンサの検出感度を変更できるので、汎用性に優れたものとなる。

本発明の光ファイバセンサは、所定の経路に沿った第１点と第２点との間の変位が検出可能な光ファイバセンサであって、異なる径のコア及び該コアの外周に設けられたクラッドで構成され、伝送する光の一部を漏洩するヘテロコア部を有し、該へテロコア部が前記第１点と第２点との間に位置するよう、該第１点に対して前記ヘテロコア部を間に有する２点が固定された光ファイバと、一端が前記第２点に固定された糸状部材と、該糸状部材の他端に連結され、前記２点間において前記光ファイバと接し、摺動可能な摺動部材と、前記摺動部材を前記第１点側に向けて付勢する付勢手段と、前記２点間における前記光ファイバの変形を、所定の薄厚空間内に規制する規制部材とを備えることを特徴とする。（第２発明）。

第２発明の光ファイバセンサによれば、付勢手段の付勢力によって、糸状部材に張力が付与される。この張力によって、糸状部材に撓みや引っ掛りが生じず、接触する部分に生じた皺も解消され得る。そのため、所定の経路に沿った第１点と第２点との間の変位に応じて、前記２点間で光ファイバに接触する摺動部材の摺動位置が再現性良く変化する。そして、当該２点間における光ファイバの変形が、規制部材によって所定の薄厚空間内に規制される。そのため、摺動部材の摺動位置に応じた当該２点間における光ファイバの変形の再現性が良い。よって、所定の経路に沿った第１点と第２点との間の変位に応じた、ヘテロコア部及びその近傍の曲率変化の再現性が良い。従って、光ファイバの光損失から所定の経路に沿った第１点と第２点との間の変位を再現性良く検出することができる。

本発明の変位検出装置は、上記第１発明又は第２発明の光ファイバセンサと、前記光ファイバの入射端に設けられた光源と、前記光ファイバの出射端に設けられた受光部とを備え、前記光源から前記入射端に入射された光が前記光ファイバを伝送して前記受光部にて受光されるまでの損失に応じて、前記第１点と第２点との間の変位を検出することを特徴とする。

本発明の変位検出装置によれば、上記第１発明又は第２発明の光ファイバセンサが備える効果を有する変位検出装置を得ることができる。

本発明の関節動作検出装置は、上記第１発明又は第２発明の光ファイバセンサと、前記光ファイバの入射端に設けられた光源と、前記光ファイバの出射端に設けられた受光部、人体に装着され、前記第１点と第２点とが関節を跨ぐようにして表面に設けられた装着具とを備え、前記光源から前記入射端に入射された光が前記光ファイバを伝送して前記受光部にて受光されるまでの損失に応じて、前記関節の動作を検出することを特徴とする。

本発明の関節動作検出装置によれば、上記第１発明又は第２発明の光ファイバセンサが備える効果を有する関節動作検出装置を得ることができ、関節動作を再現性良く検出することができる。

本発明の第１実施形態に係るデータグローブシステムを示す説明図。 光ファイバを示し、（ａ）は説明図、（ｂ）は断面図。 光ファイバセンサを示し、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図。 第１実施形態の変形に係る光ファイバセンサを示す上面図。 光ファイバの固定角度を変化させたときの変位と損失との関係を表すグラフ。 第１実施形態の別形態に係る光ファイバセンサを示し、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図。 本発明の第２実施形態に係るデータグローブシステムを示す説明図。 光ファイバセンサを示し、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図。

本発明の変位検出装置、関節動作検出装置の第１実施形態に係るデータグローブシステムを図面を参照して説明する。

図１を参照して、データグローブシステムは、本発明の実施形態に係る光ファイバセンサ１を配したデータグローブ１０を備えている。 データグローブ１０は、グローブ本体２を有しており、ここでは、グローブ本体２を手に装着した装着者の第２指（人差指）の関節動作を検出する。

グローブ本体２は、薄厚の伸縮性に優れた素材から形成されており、装着された手に密着して、指の関節動作に良好に追従する。グローブ本体２は、自然に装着され、運動時や生活時等における関節動作を妨げない。

光ファイバセンサ１は、グローブ本体２の甲側表面に配された光ファイバ３を有している。光ファイバ３は、入射端側の光ファイバ３ａと、出射端側の光ファイバ３ｂと、光ファイバ３ａ，３ｂ間に挿入されたヘテロコア部ＨＰとから構成されている。

図２（ａ）及び図２（ｂ）を参照して、ヘテロコア部ＨＰは、光ファイバ３ａと光ファイバ３ｂとの間に設けられ、伝送される光の一部を漏洩（リーク）する。

ヘテロコア部ＨＰは、ここでは、コア３１と、その外周部に設けられたクラッド３２とを有する短いシングルモード光ファイバである。例えば、コア３１の径は５μｍであり、クラッド３２の径は１２５μｍであり、長さは２．０ｍｍである。一方、光ファイバ３ａ，３ｂはともに、コア３３と、その外周部に設けられたクラッド３４とを有する長いシングルモード光ファイバである。例えば、コア３３の径は９μｍであり、クラッド３４の径は１２５μｍである。このように、ヘテロコア部ＨＰのコア径は、光ファイバ３ａ，３ｂのコア径よりも小さくなるように構成されている。

なお、ヘテロコア部ＨＰ、光ファイバ３ａ，３ｂの双方、あるいは一方が、マルチモード光ファイバであってもよい。ただし、ヘテロコア部ＨＰ及び光ファイバ３ａ，３ｂがシングルモード光ファイバであれば、外部からの影響がより受け難いので好ましい。また、ヘテロコア部ＨＰのコア径が、光ファイバ３ａ，３ｂのコア径よりも大きくなるように構成されていてもよい。また、ヘテロコア部ＨＰが、光ファイバ３ａ，３ｂのコア３３の屈折率あるいはクラッド３４の屈折率と同等の屈折率を有する素材からなるものであってもよい。この場合も、コア３１の径が、０あるいはクラッド３２の径と同じである一種のヘテロコア構造であると考えることが可能である。

ヘテロコア部ＨＰと光ファイバ３ａ，３ｂとは、長手方向に直交する界面３５でコア３１，３３が接合するように、略同軸に、放電による融着などによって接合されている。なお、コア３３に予めスリットを形成しておき、溶融延伸することによって、ヘテロコア部ＨＰを形成してもよい。また、コア３１，３３の径が漸次変化するものであってもよい。

このように、光ファイバ３ａ，３ｂの中途部にヘテロコア部ＨＰが存在しているので、界面３５におけるコア径の相違によって、光の一部がヘテロコア部ＨＰのクラッド３２に漏洩し、伝送される光が損失される。ヘテロコア部ＨＰ及びその近傍の光ファイバ３の曲率が大きいほど、光の損失量（リーク量）が大きくなる。

図１を参照して、光ファイバ３の入射端である光ファイバ３ａの入射端には、、半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザなどの発光素子を有する光源２０が接続されている。光ファイバ３の出射端である光ファイバ３ｂの端部には、、フォトダイドード（ＰＤ）や電荷結合素子（ＣＣＤ）などの受光素子を有する光パワーメータなどの受光部３０が接続されている。さらに、受光部３０には、ＣＰＵやメモリ等を備えた検出部４０が接続されている。なお、光源２０、受光部３０及び検出部４０は、手首等人体に装着可能に構成されていてもよい。また、受光部３０から検出部４０に無線で受光信号を送信してもよい。

光ファイバ３は、第１固定点Ａと第２固定点Ｂとでグローブ本体２の表面に固定されている。ここでは、光ファイバ３ａが第１固定点Ａに、光ファイバ３ｂが第２固定点Ｂに、それぞれグローブ本体２の表面に接着剤等によって固定されている。第１固定点Ａは、手の甲の手首近傍に、第２固定点Ｂは、第２指の遠位指節間関節（ＤＩＰ関節）と近位指節間関節（ＰＩＰ関節）との中間部の背に、それぞれ位置している。第１固定点Ａと第２固定点Ｂは、第２指の近位指節間関節を跨ぐようにして設けられており、この近位指節間関節の屈曲により固定点Ａ，Ｂ間の所定の経路に沿った長さ（以下、「経路長さ」という）が変化する。

図３（ａ）及び図３（ｂ）を参照して、光ファイバセンサ１は、光ファイバ３の一部がそれぞれ固定される２つの光ファイバ固定部材４ａ，４ｂと、光ファイバ固定部材４ａ，４ｂを接続する付勢部材５と、光ファイバ３が内部を通り、光ファイバ３の変形を規制する規制部材６とを備えている。

ここでは、光ファイバ固定部材４ａには、ヘテロコア部ＨＰと第１固定点Ａとの間における光ファイバ３ａの一部分が、光ファイバ固定部材４ｂには、ヘテロコア部ＨＰと第２固定点Ｂとの間における光ファイバ３ｂの一部分が、それぞれ接着剤等によって固定されている。これにより、ヘテロコア部ＨＰは、光ファイバ固定部材４ａ，４ｂの間に位置している。ヘテロコア部ＨＰは、光ファイバ固定部材４ａ，４ｂの中間近傍に位置することが好ましい。

光ファイバ固定部材４ａ，４ｂは、良好な滑り性を確保するため、低摩擦性に優れた素材、例えば、フッ素樹脂から形成されている。光ファイバ固定部材４ａ，４ｂは、それ自体に伸縮や撓みが生じない程度の厚さ、例えば、０．１ｍｍから１ｍｍ程度の厚さを有している。さらに、光ファイバ固定部材４ａ，４ｂの互いに対向する面には、矩形状に突出したガイド部４ａ１，４ｂ１が形成されている。

付勢部材５は、光ファイバ固定部材４ａ，４ｂを接続するとともに、光ファイバ固定部材４ａ，４ｂが互いに近接するように付勢する。付勢部材５は、薄厚のものであり、例えば、衣類用ゴムから形成されている。付勢部材５は、その両端部が光ファイバ固定部材４ａ，４ｂの下面にそれぞれ接着剤等によって固定されている。さらに、付勢部材５は、少なくともその中央部がグローブ本体２の表面に接着剤等によって固定されている。光ファイバ固定部材４ａ，４ｂ間の間隔は、数ｃｍ程度であり、その変動は数ｍｍから数ｃｍ程度である。

付勢部材５の付勢力によって、光ファイバ固定部材４ａ，４ｂはともに、付勢部材５の中央部に向かって常時付勢されている。これにより、光ファイバ固定部材４ａと第１固定点Ａとの間の光ファイバ３ａ及び光ファイバ固定部材４ｂと第２固定点Ｂとの間の光ファイバ３ｂには、常時張力が付与される。

規制部材６は、同一平面上に位置する２枚の同厚さの板状部材６ａ，６ｂ、及びこれら板状部材６ａ，６ｂを上下方向から挟み込む板状部材６ｃ，６ｄから構成されており、全体外形が薄板状になっている。板状部材６ａ〜６ｄは、良好な滑り性を確保するため、低摩擦性に優れた素材、例えば、フッ素樹脂から形成されており、各々の厚さは、例えば、０．１ｍｍから１ｍｍ程度である。

板状部材６ａ〜６ｄによって規定された薄厚の空間Ｓ内を、光ファイバ３が通る。板状部材６ａ，６ｂは、空間Ｓ内の厚さを規定するスペーサとして機能している。なお、光ファイバ３と接触する部分、すなわち、空間Ｓを規定する内面に低摩擦性に優れた素材、例えば、フッ素樹脂を被膜してもよい。

また、規制部材６は、光ファイバ固定部材４ａ，４ｂの摺動をガイドするものでもある。板状部材６ａ，６ｂ間の両端部６ｅは、その間隔がガイド部４ａ１，４ｂ１の形状に合わされており、光ファイバ固定部材４ａ，４ｂの摺動をガイドするガイド部として機能する。これにより、光ファイバ固定部材４ａ，４ｂは、所定方向にのみ摺動可能となっている。なお、ここでは、光ファイバ固定部材４ａ，４ｂの摺動方向は同一であるが、摺動方向は異なっていてもよい。

光ファイバ固定部材４ａ，４ｂ間における光ファイバ３は、薄厚の空間Ｓ内においてのみ変形可能となっている。規制部材６ｃは、光ファイバ３の上方向の飛び出しを規制する。規制部材６ｄは、光ファイバ３の下方向の飛び出しを規制するとともに、光ファイバ３と付勢部材５との接触を防止する。

空間Ｓは、光ファイバ３が所定の方向、ここでは、図中上向きに突出して湾曲変形するように形成されている。すなわち、光ファイバ３は、その湾曲方向が空間Ｓによる空間が広がる方向に限定されている。これにより、光ファイバ３が他の方向に湾曲することが防止でき、湾曲方向の相違による曲率の変化が生じない。なお、光ファイバ３を所定の方向に傾けて光ファイバ固定部材４ａ，４ｂに固定することにより、湾曲方向を限定することも好ましい。

さらに、データグローブ１０は、第２固定点Ｂと光ファイバ固定部材４ｂとの間の光ファイバ３の経路を規定する経路規定部材８を有している。経路規定部材８は、光ファイバ３が引っ掛り等なくスムーズに所定の経路に沿って動くように構成されている。経路規定部材８は、ここでは、光ファイバ３が挿通可能な内径数ｍｍ程度の中空リング形状のフッ素樹脂製チューブを短く、例えば、数ｍｍ程度に切断したものである。経路規定部材８は、第２指の背に沿って、複数、グローブ本体２の表面上に接着剤等によって固定されている。なお、経路規定部材８は、例えば、溝を有するものや、柔軟素材から形成されるものであってもよく、その構成、素材、個数等は限定されない。

次に、データグローブシステムを用いた関節動作の検出について説明する。装着者の手にグローブ本体２全体が密着するように装着する。なお、データグローブ１０は数種類のサイズを準備しておき、装着者の手指のサイズに合わせて選択することが好ましい。

装着者が第２指の近位指節間関節を動作させると、固定点Ａ，Ｂ間の経路長さが変化する。具体的には、伸ばした状態の近位指節間関節を曲げると、固定点Ａ，Ｂ間の経路長さが増加する。

第１固定点Ａと光ファイバ固定部材４ａに固定された部分との間の光ファイバ３は、その長さが短く、且つ、手の甲に位置するので、変位が生じない、あるいは固定点Ａ，Ｂ間の経路長さの変化と比較すると無視可能な程度の変位しか生じない。一方、第２固定点Ｂと光ファイバ固定部材４ｂとの間の光ファイバ３は、経路規定部材８によってその経路が規定されており、さらに、付勢部材５によって張力が付与されている。この張力により、第２固定点Ｂと光ファイバ固定部材４ｂとの間の光ファイバ３には撓みが生じず、グローブ本体２に生じた皺も解消され、光ファイバ３と経路規制部材８等との引っ掛りも防止される。よって、第２固定点Ｂと光ファイバ固定部材４ｂとの間の経路長さの変化は、固定点Ａ，Ｂ間の経路長さの変化と同等になる。従って、固定点Ａ，Ｂ間の経路長さの変化と、光ファイバ固定部材４ａ，４ｂ間の間隔との間には、再現性の良好な相関関係が存在する。

そして、光ファイバ固定部材４ａ，４ｂ間の間隔に応じて、光ファイバ固定部材４ａ，４ｂ間の光ファイバ３が変形するが、この変形は規制部材６によって薄厚の空間Ｓ内に規制されている。そのため、光ファイバ固定部材４ａ，４ｂ間の距離が同じであれば、光ファイバ固定部材４ａ，４ｂ間の光ファイバ３の変形も同じものとなる。従って、光ファイバ固定部材４ａ，４ｂ間の間隔とヘテロコア部ＨＰ及びその近傍の曲率との間には、再現性の良好な相関関係が存在する。

以上より、固定点Ａ，Ｂ間の経路長さの変化とヘテロコア部ＨＰ及びその近傍の曲率との間には、再現性の良好な相関関係が存在することになる。具体的には、伸ばした状態の２指の近位指節間関節を曲げると、ヘテロコア部ＨＰ及びその近傍の湾曲は緩やかになる、すなわち、曲率は小さくなる。

そこで、例えば、光源２０から一定強度の光を出射し、第２指の近位指節間関節を伸ばした状態における受光部３０での受光量と、第２指の近位指節間関節を曲げた状態における受光部３０での受光量とを予め計測しておき、検出部４０にデータとして格納しておく。これにより、受光部３０での受光量から第２指の近位指節間関節の屈曲状態を検出部４０によって検出することが可能となる。また、検出部４０で、必要に応じて、第２指の近位指節間関節の屈曲状態を示す信号をディスプレイ等に送信する。

以上のように、光ファイバ３の光損失の変化から関節、ここでは第２指の近位指節間関節の動作を再現性良く検出することができる。

また、関節動作により当該関節周辺に生じた光ファイバ３の変位を、関節から離れた適宜な部位、ここでは手の甲に位置するヘテロコア部ＨＰ周囲の変位に置換して、ヘテロコア部ＨＰ及びその近傍の曲率を変化させている。そのため、関節周囲に規制部材６等を設ける必要がないので、装着者は自由に関節動作を行うことが可能となる。また、光ファイバ３は極細であり柔軟性に富むものであり、且つ、光ファイバ３を手の甲側に配しているので、データグローブ１０を装着した装着者に不快感や違和感を与えることなく、無拘束で関節動作を検出することが可能となる。

また、受光部４０での受光量は十分に大きく、平均化などの必要がないため、数十Ｈｚ程度のリアルタイム計測を容易に実現することが可能となる。また、ＬＥＤなどの発光素子とＰＤ、ＣＣＤなどの受光素子とからなる簡便な構成で入出力装置を構築できるため、安価なシステムを実現することができる。また、伝送路である光ファイバ３に加わる外乱の影響を受けないため、水中等の過酷な環境であっても、関節動作の検出が可能となる。

また、ヘテロコア部ＨＰ及びその近傍の光ファイバ３の微小な曲率変化を検出することが可能であるので、微小な関節動作を検出するができる。また、ヘテロコア部ＨＰ及びその近傍以外の光ファイバ３に生じた曲げ等の影響を受けることがないので、検出過誤のない安定化した関節動作の検出を行うことができる。

また、装着者毎に関節の屈曲状態とそれに応じた光損失のデータを検出部４０に格納しておくことにより、関節位置に個人差があっても、各装着者の関節動作を適切に検出することが可能となる。

なお、光ファイバ固定部４ａをグローブ本体２に固定してもよい。この場合、光ファイバ固定部４ａにおける光ファイバ３の固定部分と第１固定点Ａとが一致してもよい。

また、光ファイバ３ａの中途部に光カプラを設け、光カプラで別の光ファイバを分岐させるとともに、光ファイバ３ｂの端部に銀蒸着などによって鏡を形成した反射部を設けてもよい。この場合、前記分岐された光ファイバの端部が出射端となり、この出射端に受光部３０を接続すればよい。

また、光ファイバ３ａの端部にＯＴＤＲ（Optical time-domain reflectometer）装置を接続して、ＯＴＤＲ装置から入射されたセンサ光の後方へのレイリー散乱光をＯＴＤＲ装置自身が計測するものであってもよい。この場合、１本の光ファイバセンサに複数のヘテロコア部ＨＰを設けて、各ヘテロコア部ＨＰ及びその近傍の光ファイバ３の曲率変化を検出することも可能となる。ただし、ＯＴＤＲ装置を用いた場合には、リアルタイム計測することができない。

次に、図４を参照して、前述した光ファイバセンサ１の変形に係る光ファイバセンサ５１について説明する。

光ファイバセンサ１においては、光ファイバ３ａ，３ｂの一部分がそれぞれ光ファイバ固定部材４ａ，４ｂに固定されていた。一方、本光ファイバセンサ５１においては、光ファイバ固定部材４ａ，４ｂに回動可能に軸支された回動部材５２ａ，５２ｂに光ファイバ３ａ，３ｂの一部分がそれぞれ固定されている。そして、光ファイバ固定部材４ａ，４ｂにはそれぞれ複数のピン５３が設けられており、これらピン５３間に回動部材５２ａ，５２ｂの先端部が挟み込まれることにより、光ファイバ３ａ，３ｂの固定角度θが変更可能となっている。なお、回動部材５２ａ，５２ｂ及びピン５３が本発明の固定角度調整部材に相当する。

なお、ここでは、光ファイバ固定部材４ａ，４ｂにともに回動部材５２ａ，５２ｂを設けているが、光ファイバ固定部材４ａ，４ｂの一方のみに回動部材を設けてよい。また、光ファイバ３ａ，３ｂの固定角度θを共通としているが、光ファイバ３ａ，３ｂの固定角度θを異ならせてもよい。

固定角度θを変更することにより、光ファイバ３ａ，３ｂが回動部材５２ａ，５２ｂの端部からヘテロコア部ＨＰに向う角度も変化する。ここでは、光ファイバ３ａ，３ｂは回動部材５２ａ，５２ｂに直線状に固定されており、回動部材５２ａ，５２ｂの端部からヘテロコア部ＨＰに向う角度は固定角度θに等しくなる。

光ファイバ３ａ，３ｂの固定角度θが大きくなると、ヘテロコア部ＨＰでの湾曲が急激になり、図５を参照するように、光ファイバ３の光損失が大きくなる。従って、光ファイバ３ａ，３ｂの固定角度θを大きくすることにより、光ファイバセンサ１１の検出感度が向上する。

このように、光ファイバセンサ５１は、検出感度が変更できるので、装着者の手の大きさ、検出する関節の相違、関節動作の検出目的などに適した検出感度にすることが可能となり、汎用性に優れたものとなる。

次に、図６（ａ）及び図６（ｂ）を参照して、前述した光ファイバセンサ１の別形態である光ファイバセンサ６１について説明する。

光ファイバセンサ１においては、付勢部材５が光ファイバ固定部材４ａ，４ｂに接続されていた。一方、本光ファイバセンサ６１においては、光ファイバ固定部材６２ａ，６２ｂと規制部材６３との間に付勢部材６４ａ，６４ｂがそれぞれ介在されている。

光ファイバ固定部材６２ａ，６２ｂは、低摩擦性に優れた素材、例えば、フッ素樹脂から薄厚の直方形状に形成されており、上方が開口されている。光ファイバ固定部材６２ａ，６２ｂには、光ファイバ３ａ，３ｂの被覆材による被覆部分３ａ１，３ｂ１が接着剤等によってそれぞれ固定されている。

規制部材６３は、低摩擦性に優れた素材、例えば、フッ素樹脂から形成されており、その内部に形成された開口内を光ファイバ固定部材６２ａ，６２ｂが摺動可能に構成されている。これにより、規制部材６３の開口は光ファイバ固定部材６２ａ，６２ｂの摺動をガイドするガイド部として機能し、光ファイバ固定部材６２ａ，６２ｂは所定方向（図中左右方向）にのみ摺動可能となっている。そして、光ファイバ固定部材６２ａ，６２ｂと規制部材６３との間の薄厚空間Ｓ内で光ファイバ３が変形する。さらに、規制部材６３は、グローブ本体２の表面に接着剤等によって固定されている。

光ファイバ固定部材６２ａ，６２ｂ間における光ファイバ３は、規制部材６３により上下方向の飛び出しが規制され、薄厚空間Ｓ内においてのみ変形可能となっている。

付勢部材６４ａ、６４ｂは、ここでは薄厚のねじりばねからなる。付勢部材６４ａ、６４ｂは、その一端が、光ファイバ固定部材６２ａ，６２ｂの下壁部から上方に突出して形成された係止部６２ａ１，６２ｂ１に係止され、その他端が、規制部材６３の上壁部から下方に突出して形成された係止部６３ａ，６３ｂに係止されている。

これにより、付勢部材６４ａ、６４ｂの付勢力によって、光ファイバ固定部材６２ａ，６２ｂはともに、規制部材６３の中央部に向かって常時付勢されている。よって、光ファイバ固定部材６２ａと第１固定点Ａとの間の光ファイバ３ａ及び光ファイバ固定部材６２ｂと第２固定点Ｂとの間の光ファイバ３ｂには、常時張力が付与される。

以上のように構成された光ファイバセンサ６１は前述した光ファイバセンサ１と同様の作用効果を有する。さらに、光ファイバセンサ６１は付勢部材６４ａ，６４ｂとしてばねを用いているので、耐久性が向上する。

以下、本発明の変位検出装置、関節動作検出装置の第２実施形態に係るデータグローブシステムを図面を参照して説明する。

図７を参照して、このデータグローブシステムは、光ファイバセンサ７１を配したデータグローブ８０を備えている。データグローブ８０は、グローブ本体２を有しており、このグローブ本体２の甲側表面に光ファイバ３が配されている。

さらに、データグローブ８０は、一端が第２固定点Ｂでグローブ本体２の表面に固定された糸状部材８１も有している。糸状部材８１は、伸縮しない、あるいは伸縮性が非常に劣る細長い部材、例えば繊維製か樹脂製の糸であり、グローブ本体２の表面に接着剤等によって固定される。手の甲の手首近傍に、第２固定点Ｂは、第２指の遠位指節間関節（ＤＩＰ関節）と近位指節間関節（ＰＩＰ関節）との中間部の背に、それぞれ位置している。第１固定点Ａと第２固定点Ｂは、第２指の近位指節間関節を跨ぐようにして設けられており、この近位指節間関節の屈曲により固定点Ａ，Ｂ間の所定の経路に沿った長さ（以下、「経路長さ」という）が変化する。

図８（ａ）及び図８（ｂ）に示すように、光ファイバセンサ７１は、接着剤等によってグローブ本体２の表面に固定された薄厚の筐体７２を有している。筐体７２の端部７２ａ，７２ｂで光ファイバ３の一部がそれぞれ固定され、光ファイバ３は筐体７２の内部空間Ｓ内でループ状に配置され、その変形が内部空間Ｓにより規制されている。ヘテロコア部ＨＰは、ループの略頂部に位置することが好ましい。筐体７２は本発明の規制部材に相当する。なお、第１固定点Ａは筐体７２の任意の一点となる。

さらに、詳細な構成は図示しないが、光ファイバ３ａ，３ｂの外側にそれぞれ接触する突起部７３ａ，７３ｂと、突起部７３ａ，７３ｂを連結し、糸状部材８１の一旦が固定された連結部７３ｃとを備え、筐体７２内を摺動可能に構成された摺動部材７３が設けられている。そして、摺動部材７３は、ばねなどからなる付勢部材７４によって手首側に常時付勢されている。この付勢部材７４の付勢力によって、摺動部材７３を介して糸状部材８１は、手首側、すなわち第１固定点Ａ側に向かって常時張力が付与される。

データグローブ８０を手に装着した装着者が第２指の近位指節間関節を動作させると、固定点Ａ，Ｂ間の経路長さが変化する。糸状部材８１は、経路規定部材８によってその経路が規定されており、さらに、付勢部材７４によって張力が付与されている。この張力により、糸状部材８１には撓みが生じず、グローブ本体２に生じた皺も解消され、光ファイバ３と経路規制部材８等との引っ掛りも防止される。従って、摺動部材７３の摺動による位置変化は、固定点Ａ，Ｂ間の経路長さの変化と同等になる。

そして、摺動部材７３の摺動に応じて光ファイバ３のループ形状は変形するが、この変形は薄厚空間Ｓ内に規制されている。そのため、摺動部材７３の位置が同じであれば、光ファイバ３の変形も同じものとなる。従って、摺動部材７３の位置とヘテロコア部ＨＰ及びその近傍の曲率との間には、再現性の良好な相関関係が存在する。

よって、固定点Ａ，Ｂ間の経路長さの変化とヘテロコア部ＨＰ及びその近傍の曲率との間には、再現性の良好な相関関係が存在することになる。具体的には、伸ばした状態の２指の近位指節間関節を曲げると、摺動部材７３は指先側に摺動してテロコア部ＨＰ及びその近傍の湾曲は緩やかになる、すなわち、曲率は小さくなる。

以上のように、本実施形態のデータグローブシステムも、第１実施形態のデータグローブシステムと同様に、光ファイバ３の光損失の変化から関節、ここでは第２指の近位指節間関節の動作を再現性良く検出することができる。

また、第１実施形態のデータグローブシステムにおいては、第２固定点Ｂから光ファイバ３ｂを手首側に折り返して配置する必要がある。しかし、本実施形態では、光ファイバセンサ７１の光ファイバ３ａ、３ｂがともに手首側に向かうので、光ファイバ３の配置が容易となる。

また、第１実施形態のデータグローブシステムにおいては、光ファイバ３に張力を直接付与しているので、光ファイバ３が破損するおそれがある。しかし、本実施形態では、光ファイバ３には直接張力が付与されないので、光ファイバ３が破損するおそれを減少させることが可能となる。

なお、摺動部材７３と光ファイバ３との接触位置間の間隔、すなわち２つの突起部７３ａ，７３ｂの内側面の間隔が一定であるものについて説明したが、これに限定されない。突起部７３ａ，７３ｂの内側面の間隔を変更可能に構成することにより、光ファイバセンサ７１が変化可能となり、汎用性に優れたものとなる。例えば、突起部７３ａ，７３ｂの内側面の間隔が異なる複数の摺動部材７３を予め用意しておき、良好な検出感度を必要とする場合には、前記間隔が狭いものを用いればよい。

また、摺動部材７３が、２箇所、すなわち２つの突起部７３ａ，７３ｂの内側面で光ファイバ３と接触するものについて説明したが、これに限定されない。例えば、摺動部材が、１箇所で光ファイバ３と接触し、摺動部材の位置に応じて光ファイバ３の変形を異ならせるものであってもよい。

さらに、本発明は実施形態に限定されるものではない。例えば、実施形態では、第２指の近位指節間関節の動作を検出可能なデータグローブ１０，８０について説明した。しかし、第２指の中手指節関節（ＭＰ関節）や遠位指節間関節（ＤＩＰ関節）、あるいは他の指の関節動作を検出可能なものであってもよい。なお、動作検出する関節に複数の光ファイバセンサ１を設けてもよい。このように、多数の光ファイバセンサ１，５１，６１，７１をグローブ本体２に配しても、光ファイバ３は極細であるので、無拘束検出を行うことが可能となる。また、この場合、１つの規制部材６，６１によって複数の光ファイバ３の変位を規制することも可能である。

また、光ファイバセンサ１，５１，６１，７１の光ファイバ固定部材４，６２、付勢部材５，６４，７４及び規制部材６，６３は、手の甲に配したため、薄く軽量になるように構成した。しかし、人体に装着しない場合、これらの部材を薄く軽量を期さずに構成してもよい。例えば、付勢部材５としてバネを用いることも可能である。

また、本発明に係る光ファイバセンサを、装着者の身体に密着して装着させるスーツやタイツ形状等のデータスーツに配してもよい。これにより、首、肩、腕、手首、腰、脚、足首等の関節の動作を検出することが可能となる。なお、光ファイバ３を固定する固定点Ａ，Ｂを適切に配することによって、関節の屈曲だけではなく、捻りも検出することが可能となる。

また、本発明に係る光ファイバセンサは、関節動作を検出する関節検出装置に限定して用いられるものではなく、所定の経路に沿った２点間の変位を検出可能な変位検出装置に用いることも可能である。例えば、地盤や構造物などの微小な変位を検出する変位検出装置に用いることができる。

１，５１，６１，７１…光ファイバセンサ、 ２…グローブ本体、 ３，３ａ，３ｂ…光ファイバ、 ４ａ，４ｂ，６２ａ，６２ｂ…光ファイバ固定部材、 ５，６４ａ，６４ｂ，７４…付勢部材、 ６，６３…規制部材、 ８…経路規定部材、 １０，８０…ファイバグローブ、 ２０…光源、 ３０…受光部、 ３１，３３…コア、 ３２，３４…クラッド、 ３５…界面、 ４０…検出部、 ５２ａ，５２ｂ…回動部材（固定角度調整部材）、 ５３…ピン（固定角度調整部材）、 ７３…摺動部材、 ８１…糸状部材、 Ａ…第１固定点（第１点）、 Ｂ…第２固定点（第２点）、 ＨＰ…ヘテロコア部、 Ｓ…空間。

Claims (7)

1. 所定の経路に沿った第１点と第２点との間の変位が検出可能な光ファイバセンサであって、
   異なる径のコア及び該コアの外周に設けられたクラッドで構成され、伝送する光の一部を漏洩するヘテロコア部を有し、該へテロコア部が前記第１点と第２点との間に位置するよう、該第１点と第２点とに固定された光ファイバと、
   前記光ファイバの前記ヘテロコア部と前記第２点との間の一部が固定され、摺動可能な光ファイバ固定部材と、
   前記光ファイバ固定部材を前記第１点に向けて付勢する付勢手段と、
   前記光ファイバ固定部材に固定された部分と前記第１点との間における前記光ファイバの変形を、所定の薄厚空間内に規制する規制部材とを備えることを特徴とする光ファイバセンサ。
2. 前記光ファイバ固定部材を摺動可能にガイドするガイド部を、前記規制部材が有することを特徴とする請求項１に記載の光ファイバセンサ。
3. 前記光ファイバ固定部材に固定された部分と前記第２点との間における前記光ファイバの経路を規定する経路規定部材を備えることを特徴する請求項１又は２に記載の光ファイバセンサ。
4. 前記光ファイバ固定部材の前記第１点側に前記光ファイバの固定角度を変更する固定角度調整部材を備えることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の光ファイバセンサ。
5. 所定の経路に沿った第１点と第２点との間の変位が検出可能な光ファイバセンサであって、
   異なる径のコア及び該コアの外周に設けられたクラッドで構成され、伝送する光の一部を漏洩するヘテロコア部を有し、該へテロコア部が前記第１点と第２点との間に位置するよう、該第１点に対して前記ヘテロコア部を間に有する２点が固定された光ファイバと、
   一端が前記第２点に固定された糸状部材と、
   該糸状部材の他端に連結され、前記２点間において前記光ファイバと接し、摺動可能な摺動部材と、
   前記摺動部材を前記第１点側に向けて付勢する付勢手段と、
   前記２点間における前記光ファイバの変形を、所定の薄厚空間内に規制する規制部材とを備えることを特徴とする光ファイバセンサ。
6. 請求項１から５の何れか１項に記載の光ファイバセンサと、
   前記光ファイバの入射端に設けられた光源と、
   前記光ファイバの出射端に設けられた受光部とを備え、
   前記光源から前記入射端に入射された光が前記光ファイバを伝送して前記受光部にて受光されるまでの損失に応じて、前記第１点と第２点との間の変位を検出することを特徴とする変位検出装置。
7. 請求項１から５の何れか１項に記載の光ファイバセンサと、
   前記光ファイバの入射端に設けられた光源と、
   前記光ファイバの出射端に設けられた受光部と、
   人体に装着され、前記第１点と第２点とが関節を跨ぐようにして表面に設けられた装着具とを備え、
   前記光源から前記入射端に入射された光が前記光ファイバを伝送して前記受光部にて受光されるまでの損失に応じて、前記関節の動作を検出することを特徴とする関節動作検出装置。

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