(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を電力に変換する光・電力変換器、及び物理量を測定するセンサを備えたセンサユニットと、光エネルギーを供給する光源、及び光データを受光する受光器を備えた測定装置とを有する光給電型センシングシステムであって、
前記測定装置内に取り付けられる光出力器と、
前記光出力器に光結合され且つ前記センサユニット内に配置される第１の光ファイバと、
前記受光器に光結合され且つ前記センサユニット内に配置される第２の光ファイバと、
前記センサユニット内で前記第１の光ファイバの一端と前記第２の光ファイバの一端の間に取り付けられて前記第１の光ファイバから前記第２の光ファイバに伝搬する光の遮光と透光のいずれかを選択する遮光機構と、
前記センサの出力に基づいて前記遮光機構の前記遮光と前記透光のいずれかを制御する判定回路と、
前記光・電力変換器の受光領域と前記光源とを接続する第３の光ファイバと
を有することを特徴とする光給電型センシングシステム。
【請求項２】
光を電力に変換する光・電力変換器、及び物理量を測定するセンサを備えたセンサユニットと、光エネルギーを供給する光源、及び光データを受光する受光器を備えた測定装置とを有する光給電型センシングシステムであって、
前記測定装置内に取り付けられる光出力器と、
前記光出力器に光結合され且つ前記センサユニット内に配置される第１の光ファイバと、
前記受光器に光結合され且つ前記センサユニット内に配置される第２の光ファイバと、
前記センサユニット内で前記第１の光ファイバの一端と前記第２の光ファイバの一端の間に取り付けられて前記第１の光ファイバから前記第２の光ファイバに伝搬する光を変換する波長変換機構と、
前記センサの出力に基づいて前記波長変換機構の波長を制御する判定回路と、
前記光・電力変換器の受光領域と前記光源とを接続する第３の光ファイバと
を有することを特徴とする光給電型センシングシステム。
【請求項３】
前記第１の光ファイバは前記センサユニット内で光方向性結合器の第１入出力ポートに接続され、
前記第２の光ファイバは前記センサユニット内で前記光方向性結合器の第２入出力ポートに接続され、
前記方向性結合器の第３入出力ポートには前記第３の光ファイバの一端が接続され、 前記第３の光ファイバの他端は前記測定装置に引き出されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光給電型センシングシステム。
【請求項４】
前記光源に制御信号を送信して前記光源から前記第３の光ファイバに光制御信号を出力させる変調器と、
前記光制御信号に基づいて前記光・電力変換器から出力された制御信号を復調して前記判定回路に出力する復調器と
をさらに有することを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の光給電型センシングシステム。
【請求項５】
前記センサユニットは複数箇所に配置され、さらに、複数の前記センサユニットは第４の光ファイバを介して１つの前記測定装置に接続されることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の光給電型センシングシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光給電型センシングシステムに関し、より詳しくは、溶存酸素、ガス濃度、水質、汚濁、液面、水量などを調査する際に用いられる光給電型センシングシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、水中の溶存酸素、汚濁、水質などをセンサを用いて測定する水質汚染検査システムでは、検出場所と監視場所が離れ、しかも検出場所でセンサに電力を供給する電源がないことがある。【０００３】
前記のように検出場所に電源がない場合には、特許文献１に記載されているように、光ファイバを用いて監視場所から検出場所に光を伝搬し、その光を電力に変換してセンサに供給するシステムが採用できる。【０００４】
そのシステムは、図１５に例示するように、検出場所に置かれるセンサユニット１１０と監視場所に置かれる測定装置１２０を有している。【０００５】
センサユニット１１０内では、センサ１１１に電力を供給する電源回路１１２と、電源回路１１２に電気エネルギーを送る光・電力変換器１１３と、センサ１１１の出力信号を受けるＬＥＤ１１４とが取り付けられている。ＬＥＤ１１４と光・電力変換器１１３は隣接した位置に取り付けられている。【０００６】
また、測定装置１２０からセンサユニット１１０内には光ファイバ１１５が引き込まれていて、その光ファイバ１１５は、１心で光・電力変換器１１３に光エネルギーを照射するとともにＬＥＤ１１４から出る信号光を受光するという機能を担わされている。【０００７】
また、測定装置１２０内には、光ファイバー１１５の他端に接続される光入出力器１２１と、光入出力器１２１に接続されるマイクロコンピュータ１２２と、マイクロコンピュータ１２２に電力を供給するバッテリー１２３とが取り付けられている。その光入出力器１２１は、光・電力変換器１１３に光を照射するための光源（不図示）と、光ファイバー１１５を介して伝搬された光信号を受光する受光素子（不図示）とを内蔵している。受光素子によって電気的に変換された信号はマイクロコンピュータ１２２によって処理される。【０００８】
しかし、そのようなシステムでは、センサユニット１１０内で光・電力変換器１１３とＬＥＤ１１４の光入出力範囲をカバーするように１本の光ファイバ１１５を配置しなければならないので、光電力変換器１１３及びＬＥＤ１１４に対する光ファイバの１１５端面の距離が離れてしまい、さらには、光電力変換器１１３に向けて出射された光の一部がＬＥＤ１１４に入射されてしまうため、センサ１１１に供給できる電気エネルギーが小さくなる。【０００９】
センサ１１１に供給される電力が小さければＬＥＤ１１４からの光出力信号も弱くなってしまい、光減衰を考慮すると光ファイバの引き出す距離も制限されるだけでなく、検知精度も低下しやすくなる。従って、そのようなシステムは、センサユニットと測定装置が非常に近い距離で配置されている自動車内等で使用されている。
【特許文献１】特開平７−１５１５６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、物理量を精度よく検知することができる光給電型センシングシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の第１の態様は、光を電力に変換する光・電力変換器（４）、物理量を測定するセンサ（２）、及び前記センサ（２）の出力に対応して光信号を出力する光出力器（３）を備えたセンサユニット（１）と、光エネルギーを供給する光源（１５）、及び前記光信号を受光する受光器（１４）を備えた測定装置（１０）とを有する光給電型センシングシステムにおいて、前記センサユニット（１）内で前記光・電力変換器（４）の光入射領域に接続される第１の光ファイバ（５）と、前記センサユニット（１）内で前記光出力器（３）の光出力領域に接続される第２の光ファイバ（７）と、前記第１の光ファイバ（５）が接続される第１入出力ポート（６ａ）と、前記第２の光ファイバ（７）が接続される第２入出力ポート（６ｂ）とを備えた第１の光方向性結合器（６）と、前記センサユニット（１）内で前記第１の光方向性結合器（６）の第３入出力ポート（６ｃ）に一端が接続され、且つ他端が前記測定装置（１０）内の前記受光器（１４）と前記光源（１５）に光結合される第３の光ファイバ（８）とを有することを特徴とする光給電型センシングシステムである。【００１２】
本発明の第２の態様は、光を電力に変換する光・電力変換器（４）、及び物理量を測定するセンサ（２）を備えたセンサユニット（１）と、光エネルギーを供給する光源（２５）、及び光データを受光する受光器（１４）を備えた測定装置（１０）とを有する光給電型センシングシステムにおいて、前記測定装置（１０）内に取り付けられる光出力器（３）と、前記光出力器（３）に光結合され且つ前記センサユニット（１）内に配置される第１の光ファイバ（５）と、前記受光器（１４）に光結合され且つ前記センサユニット（１）内に配置される第２の光ファイバ（７）と、前記センサユニット（１）内で前記第１の光ファイバ（５）の一端と前記第２の光ファイバ（７）の一端の間に取り付けられて前記第１の光ファイバ（５）から前記第２の光ファイバ（７）に伝搬する光の遮光と透光のいずれかを選択する遮光機構（２２）と、前記センサ（２）の出力に基づいて前記遮光機構（２２）の前記遮光と前記透光のいずれかを制御する判定回路（２１）と、前記光・電力変換器（４）の受光領域と前記光源（２５）とを接続する第３の光ファイバ（２３）とを有することを特徴とする光給電型センシングシステムである。
【発明の効果】
【００１３】
上述したように本発明によれば、光ファイバを介して光源からセンサユニット内に入射する光を光方向性結合器によりシフトさせて、光出力器には導光させずに、光・電力変換器のみに効率よく導光させることが可能になる。これにより、光・電力変換器からセンサに出力される電力が従来よりも増加し、センサを精度よく安定に駆動させることが可能になる。【００１４】
また、本発明によれば、センサユニット内に設けられる光ファイバの途中に遮光機構を取り付け、センサの出力に基づいて駆動するようにしたので、光ファイバを伝搬する光を強くすることにより光信号を精度よく測定装置へ伝搬することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態に係る光給電型センシングシステムを示す構成図である。
【図２】図２は、本発明の第２実施形態に係る光給電型センシングシステムを示す構成図である。
【図３】図３は、本発明の第３実施形態に係る光給電型センシングシステムを示す構成図である。
【図４】図４は、本発明の第４実施形態に係る光給電型センシングシステムを示す構成図である。
【図５】図５は、本発明の第５実施形態に係る光給電型センシングシステムを示す構成図である。
【図６】図６は、本発明の第６実施形態に係る光給電型センシングシステムを示す構成図である。
【図７】図７は、本発明の第７実施形態に係る光給電型センシングシステムに設けられる汚染防止機構の第１例を示す断面図である。
【図８】図８は、本発明の第７実施形態に係る光給電型センシングシステムに設けられる汚染防止機構の第２例を示す断面図である。
【図９】図９は、本発明の第７実施形態に係る光給電型センシングシステムに設けられる汚染防止機構の第３例を示す断面図である。
【図１０】図１０は、本発明の第８実施形態に係る光給電型センシングシステムを示す構成図である。
【図１１】図１１は、本発明の第９実施形態に係る光給電型センシングシステムを示す構成図である。
【図１２】図１２は、本発明の第１０実施形態に係る光給電型センシングシステムを示す構成図である。
【図１３】図１３は、本発明の第１１実施形態に係る光給電型センシングシステムを示す構成図である。
【図１４】図１４は、本発明の第１２実施形態に係る光給電型センシングシステムを示す構成図である。
【図１５】図１５は、従来の光給電型センシングシステムを示す構成図である。
【符号の説明】
【００１６】
１，１ｘ1 ,…,１ｘn ：センサユニット
２，２ｘ1 ,…,２ｘn ：センサ
３，３ｘ1 ,…,３ｘn ：光出力器
４，４ｘ1 ,…,４ｘn ：光・出力変換器
５，７，８，１２，１３：光ファイバ
６，１１：光方向性結合器
９ａ：蓄電部
９ｂ：電圧比較回路
９ｃ：半導体スイッチ
９ｄ：配線
１０：測定装置
１４，１４ｘ1 ,…,１４ｘn ：受光器
１５，２５：光源
１６：データ処理装置
１７：光制御回路
２１：判定回路
２２：遮光機構
２３：光ファイバ
２６：変調器
２７：復調器
２８：波長変換手段
２９：接点
３０：被監視設備
３１：光増幅器
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に、本発明の実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態を示す光給電型センシングシステムの構成図である。
図１において、物理量が測定される対象物の中にはセンサユニット１が配置され、その対象物から離れた場所には測定装置１０が配置されている。対象物としては例えば水があり、物理量として例えば溶存酸素がある。【００１８】
センサユニット１内では、物理量を測定するセンサ２と、センサ２に接続されてセンサ２の出力信号に応じた光信号を出力する光出力器３と、センサ２の電源端子に電気エネルギーを供給する光・電力変換器４が取り付けられている。光・電力変換器４は、例えば太陽電池、フォトダイオードなどの素子から構成されている。【００１９】
光・電力変換器４の受光領域には第１の光ファイバ５の一端が接続され、第１の光ファイバ５の他端は第１の光方向性結合器６の第１入出力ポート６ａに接続されている。さらに、光出力器３の光信号出力領域には第２の光ファイバ７の一端が接続され、第２の光ファイバ７の他端は第１の光方向性結合器６の第２入出力ポート６ｂに接続されている。さらに、第１の光方向性結合器６の第３入出力ポート６ｃには、測定装置１０に引き出される第３の光ファイバ８の一端が接続されている。【００２０】
一方、測定装置１０内では、第３の光ファイバ８の他端が接続される第１入出力ポート１１ａを有する第２の光方向性結合器１１が取り付けられ、第２の光方向性結合器１１の第２入出力ポート１１ｂには第４の光ファイバ１２の一端が接続され、さらに第３入出ポート１１ｃには第５の光ファイバ１３の一端が接続されている。【００２１】
また、第４の光ファイバ１２の他端は受光器１４の受光領域に接続され、さらに、第５の光ファイバ１３の他端は光源１５の光出力領域に接続されている。受光器１４として、例えば光入力信号を電気信号に変換する素子、例えばフォトダイオードが用いられ、その電気信号端はデータ処理装置１６に接続される。【００２２】
第１及び第２の光結合器６，１１として、例えば、入射光と出射光とを分離する機能を有するＮ端子（Ｎ≧３の正数）の非相反光デバイスである光サーキュレータが用いられる。【００２３】
第１の光結合器６では、第３の入出力ポート６ｃに入射した光は第１入出力ポート６ａから出射されるが第２入出力ポート６ｂから出射されず、また、第２入出力ポート６ｂに入射した光は第３入出力ポート６ｃから出射されるが第１入出力ポート６ａから出射されない構造となっている。【００２４】
また、第２の光結合器１１では、第１入出力ポート１１ａに入射した光は第２入出力ポート１１ｂから出射されるが第３出力ポート１１ｃから出射されず、さらに、第３入出力ポート１１ｃに入射した光は第１入出力ポート１１ａから出射されるが第２入出力ポート１１ｂから出射されない構造となっている。【００２５】
なお、センサユニット１と測定装置１０の接続に、光コネクタを使用する場合には、光コネクタ部にて光源からの光が反射し、光出力器からの光信号と合波される。反射光を光信号と区別するためには、光コネクタ部に光ファイバと同じ屈折率を有する整合剤を塗布したり、光コネクタ接続の代わりに融着接続を行ったり、光信号検出時には光源からの出射を行わないことが好ましい。【００２６】
このような光給電型センシングシステムにおいて、測定装置１０の光源１５から出た連続光は第５の光ファイバ１３を介して第２の光方向性結合器１１の第３入出力ポート１１ｃに入射した後にその内部で光路がシフトされて第１入出力ポート１１ａから出力され、さらに第３の光ファイバ８内を伝搬して第１の光方向性結合器６の第３入出力ポート６ｃに入力する。そして、第３入出力ポート６ｃに入射した光は、電力供給用光として第１入出力ポート６ａから第２の光ファイバ５内を伝搬して光・電力変換器４の受光領域に照射される。【００２７】
光・電力変換器４は、入射した光のエネルギーを電気エネルギーに変換してセンサ２に電力を供給する。従って、第２の光ファイバ５を介して光が照射された状態では、センサ２は光・電力変換器４から電力が供給されて物理量を測定できる状態となる。【００２８】
センサ２によって測定された物理量は光出力器３により電気信号から光信号に変換されて第２の光ファイバ７に出力される。この場合、光出力器３は、センサ出力に対応した光強度変調、パルス変調、周波数変調などの変調方法により光信号を出力する。【００２９】
第２の光ファイバ７内を伝搬する光信号は、第２の光ファイバ７を介して第１の光方向性結合器６の第２入出力ポート６ｂに入射し、その中で伝搬路がシフトされて第３入出力ポート６ｃから第３の光ファイバ８に出射される。【００３０】
第３の光ファイバ８内を測定装置１０に向けて伝搬した光信号は、第２の光方向性結合器６の第１入出力ポート１１ａに入射され、さらに第２入出力ポート１１ｂ及び第４の光ファイバ１２を伝搬して受光器１４へ出射される。【００３１】
受光器１４の受光領域に入射した光信号は電気信号に変換され、その電気信号はデータ処理装置に入力される。データ処理装置は、入力された電気信号をセンサ２により測定された物理量と見なして種々の処理を行う。データ処理装置１６は、光強度変調、パルス変調、或いは周波数変調等がなされた電気信号を復調してセンサ２の測定データを処理する。なお、センサ２からのデータに基づいて、物理測定量（本実施形態では溶存酸素量）を画像等に表示させ、データ解析を行ってもよい。【００３２】
以上のように本実施形態によれば、１心の第３の光ファイバ８内を伝搬する光信号と電力用光を光方向性結合器６，１１を用いて伝搬方向の違いにより伝搬路をシフトさせている。【００３３】
これにより、一心の光ファイバ８を用いてセンサユニット１と測定装置１０の相互間でエネルギー供給と信号伝搬を処理する場合でも、センサユニット１内で光・電力変換器４と光出力器３に別々に光ファイバ５，７を接続して光源１５から出力された光エネルギーを光出力部３には供給せずに、光・電力変換器４のみに効率よく供給することが可能になる。また、光出力器３から出力される光についても、第２の光方向性結合器１１によって光源１５には導光されず、受光器１４のみに効率よく導光させることが可能になる。しかも、光信号と電力供給用光は伝搬方向が異なるため、光信号と電力供給用光を同一波長としても、伝搬路を共有することが可能である。【００３４】
なお、上述した実施形態においては、第１の光ファイバ、第３の光ファイバとして、一心の光ファイバの代わりに、多心光ファイバを用いてもよい。
更に、本実施形態では、センサ２により水中の溶存酸素を測定しているが、水の汚濁の測定、水中の含有成分の測定、炭鉱・鉱山における空気中の所定ガス濃度の測定など、種々の物理量を測定する場合にも本システムを適用できる。以下の実施形態でも同様である。【００３５】
（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態を示す光給電型センシングシステムの構成図であって、図１と同じ符号は同じ要素を示している。
図２において、センサユニット１内に取り付けられるセンサ２と光出力器３と第１の光方向性結合器６と第１〜第３の光ファイバ５，７，８は、それぞれ第１実施形態と同様な接続関係となるが、光電力変換器４とセンサ２の間には次のような回路が接続されている。【００３６】
即ち、センサユニット１内には、光・電力変換器４から出力される電力を蓄積する蓄電部９ａと、予め設定された基準電圧と光・電力変換器４の出力電圧とを比較する電圧比較回路９ｂと、光・電力変換器４の出力電圧が基準電圧より低下した場合に電圧比較回路９ｂからの出力信号によりＯＮされる半導体スイッチ９ｃと、半導体スイッチ９ｃがＯＮした状態で、蓄電部９ａ内の電力をセンサ２に供給する配線９ｄとを有している。【００３７】
半導体スイッチ９ｃは、例えばトランジスタから構成され、電圧比較回路９ｂによりＯＮ、ＯＦＦされる。電圧比較回路９ｂは、半導体スイッチ９ｃをＯＮさせる信号を出力してから所定時間経過後に半導体スイッチ９ｃをＯＦＦする構成の電力供給指令回路である。【００３８】
また、測定装置１０内において、第３〜第５の光ファイバ８，１２，１３、第２の光方向性結合器１１、受光器１４、光源１５及びデータ処理装置１６は、それぞれ第１の実施形態と同じ接続関係にある。さらに、光源１５には、光源１５から出る光の量を制御する光制御回路１７が接続されている。光制御回路１７は、センサユニット１内の蓄電部９ａの蓄積電力量が所定値となるタイミングで光源１５の光出力を低くして光・電力変換器４への光エネルギー照射強度を低下させるように構成されている。【００３９】
そして、蓄電部９ａでの蓄積電力が所定値になり、光・電力変換器４の光照射量が低減すると、電圧比較回路９ｂは半導体スイッチ９ｃをＯＮし、これにより配線９ｄを介して蓄電部９ａからセンサ２に電力が供給される。【００４０】
以上のように本実施形態によれば、第１実施形態で示した作用効果が得られるだけでなく、光・電力変換器４から時間当たりに供給される電力よりも大きな電力が蓄電部９ａに蓄積できるので、例えば消費電力の大きなタイプのセンサ２に電力を供給することができる。この場合、センサ２は間欠的に物理量を測定することになる。【００４１】
ところで、上記した構成を有するセンサユニット１の一例において、光源１５から５０ｍＷの光パワーを出力し、その光パワーを光・電力変換器４に入力させると、光・電力変換器４にて１．２Ｖ、１２ｍＡの１４．４ｍＷの電力が発生した。即ち、光結合損失等を考慮しても、３０％程度の変換効率を十分に得ることができた。さらに、光・電力変換器４で発生した電力を電気二重層コンデンサからなる蓄電部９ａに蓄積し、これを図示しない昇圧回路にて５Ｖに昇圧することにより、蓄積した電力により消費電力２０ｍＡの負荷、例えば５Ｖ駆動の電子回路及びＬＥＤを３０秒間以上駆動させることができた。従って、センサ２を駆動する電力を十分に得られることがわかる。【００４２】
また、上記した構成を有するシステムの一例では、光源から５０ｍＷの光パワーを出力し、センサユニット１と測定装置１０の間に６ｄＢ分の光減衰器を挿入してもセンサ２からの出力を確認することができた。つまり、センサユニット１と測定装置１０の距離をＬ、光ファイバの伝送損失を０．３ｄＢ／ｋｍ、接続点数４個／ｋｍ（０．４ｄＢ／ｋｍ）、成端箱との接続による光ロス等１ｄＢとすると、６ｄＢ＝０．７×Ｌ＋１となり、Ｌとして約７ｋｍもの長距離が実現できることが確認できた。
なお、上述した実施形態においては、第１の光ファイバ、第３の光ファイバとして、一心の光ファイバの代わりに、多心光ファイバを用いてもよい。【００４３】
（第３の実施形態）
本実施形態では、センサユニット１から光ファイバ８に伝搬される光信号の強度を大きくする構造を有するシステムについて説明する。
図３は、本発明の第３の実施形態を示す光給電型センシングシステムの構成図であって、図１と同じ符号は同じ要素を示している。【００４４】
センサユニット１内には、物理量を測定するセンサ２の出力信号に基づいて「０」、「１」を判定する判定回路２１と、第１の光ファイバ５の一端と第２の光ファイバ７の一端の間に配置された遮光機構２２と、センサ２に電力を供給する光・電力変換器４が取り付けられている。遮光機構２２は、判定回路２１の出力信号により遮光、透光のいずれかの状態にされ、例えば、判定回路２１が「０」（又は「１」）と判定する場合には透光状態にされ、また判定回路２１が「１」（又は「０」）と判定する場合には遮光状態にされる。遮光機構２２としては、例えば機械的シャッタ、光バルブ、カー効果利用の光シャッタ、液晶利用の光シャッタ、光半導体デバイスなどがある。【００４５】
第１、第２の光ファイバ５，７の他端は第１の実施形態と同様に第１の光方向性結合器６の第１入出力ポート６ａ、第２入出力ポート６ｂに接続されている。光・電力変換器４の受光領域には第６の光ファイバ２３の一端が接続されている。また、光・電力変換器４の出力端はセンサ２に電力を供給するように接続されている。【００４６】
一方、測定装置１０内では、第６の光ファイバ２３の他端に接続される光源２５が配置され、また、第２の光方向性結合器１１の第２入出力ポート１１ｂに第４の光ファイバ１２を介して接続される受光器１４が取り付けられている。さらに、第２の光方向性結合器１１の第３入出力ポート１１ｃには第５の光ファイバ１３を介して光出力器３が接続されている。【００４７】
このような光給電型センシングシステムにおいて、光出力器３から出力された光は第２の光方向性結合器１１の第３入出力ポート１１ｃに入力され、さらに第１入出力ポート１１ａから第３の光ファイバ８内を伝搬して第１の光方向性結合器６の第３入出力ポート６ｃに入力され、さらに第１入出力ポート６ａから第１の光ファイバ５内を伝搬する。【００４８】
そして、遮光機構２２が透光するような状態となっている時には、第１の光ファイバ５内を伝搬した光は遮光機構２２を介して第２の光ファイバ７に入射され、さらに、第１の光方向性結合器６の第２入出力ポート６ｂ、第３入出力ポート６ｃ及び第３の光ファイバ８内を伝搬して第２の光方向性結合器１１の第１入出力ポート１１ａに入射され、さらに第２入出力ポート１１ｂから受光器１４に入射される。そして、データ処理装置１６は、受光器１４に光が入射した時の信号を「０」（又は「１」）と判断する。【００４９】
これに対し、遮光機構２２が光を遮るような状態となっている時には、第１の光ファイバ５内を伝搬した光は第２の光ファイバ７に入射されず、受光器１４には光が伝搬されない状態となる。この場合、データ処理装置１６は、受光器１４に光が入力しない時の信号を「１」（又は「０」）と判断する。【００５０】
以上のことからセンサ２によって測定された物理量は、判定回路２１と遮光機構２２によってパルス変調されて測定装置１０に出力される。しかも、光出力器３は、測定装置１０内に取り付けられているので、大きな電力の供給によりセンサユニット１に高強度の光を入力させることができる。これにより、測定装置１０内に伝搬される光信号の強度を高くすることが可能になる。【００５１】
また、センサ２に接続された光・電力変換器４には、光信号と別系統の第６の光ファイバ２３が接続されており、測定装置１０内の光源２５から出射された高強度の光が第６の光ファイバ２３を伝搬して照射される。これにより、光・電力変換器４により大きな電力を発生させてセンサ２に供給することができ、例えば定格が電圧５Ｖ、電流１０ｍＡのセンサ２に電力を供給することが可能になる。【００５２】
従って、本実施形態では、第１、第２の実施形態で説明したようにセンサ２により測定された物理量に基づいて光信号を出力させるだけでなく、光信号をさらに強くする場合に好都合である。
なお、上述した実施形態においては、第１の光ファイバ、第３の光ファイバとして、一心の光ファイバの代わりに、多心光ファイバを用いてもよい。【００５３】
（第４の実施形態）
本実施形態では、測定装置１０からの遠隔操作によってセンサ２による測定データを補正できる構造について第３の実施形態のシステムを用いて説明する。【００５４】
図４は、本発明の第５の実施形態に係る光給電型センシングシステムの構成図である。図４において、図３と同じ符号は同じ要素を示している。
図４において、測定装置１０には、光源２５の光出力を変調する変調器２６が取り付けられている。また、センサユニット１には、光・電力変換器４から出力された電気的な制御信号を復調して判定回路２１に送信する復調器２７が取り付けられ、これにより、判定回路２１におけるセンサ１の出力値に対する「０」、「１」を判定する閾値を調整するように構成されている。【００５５】
このシステムにおいて、判定回路２１の閾値を変更する場合には、閾値変更信号を変調器２６で変調して制御信号として光源２５に送ると、光源２５はその制御信号を光信号に変換して第６の光ファイバ２３を介してセンサユニット１に送る。センサユニット１内では、第６の光ファイバ２３からの光信号を光・電力変換器４によって電気信号に変換して復調器２７に送る。【００５６】
さらに、復調器２７は、光・電力変換器４から出力された制御信号を復調して閾値変更信号を判定回路２１に送信する。そして、判定回路２１では、閾値変更信号に基づいて、センサ２の出力信号に基づいて遮光機構２１の透光、遮光を選択するためのセンサ２の出力信号に対する閾値を変更する。これにより、センサ２の出力が変更され、その感度が補正されたと等価になる。この場合、遮光機構２２によりパルス変調された光信号を受光器１４により受信し、さらにデータ処理装置１６により閾値変更が適正であるかどうかを確認できる。【００５７】
また、システムが正常に動作しているかどうか自己診断をしようとするときには、センサ２の通常の測定範囲内で設定される判定回路２１の閾値より小さくなる値と大きくなる値となるように制御信号を測定装置１０内の変調器２６から送信する。【００５８】
ここで、閾値を大きくする場合には、センサ２から出る信号の波高値が測定範囲内で高くなっても遮光機構２２が遮光状態となり、この結果、測定装置１０の受光部１４には光が入力する。また、閾値を小さくする場合には、センサ２から出る信号の波高値が測定範囲内で低くなって遮光機構２２が光透過状態となる。即ち、閾値を通常範囲より高く設定することによりＯＮ状態がＯＦＦに逆転し、また、通常範囲より低く変更することによりＯＦＦ状態がＯＮに逆転することになる。これにより、システム動作が正常かどうかを確認できる。【００５９】
以上により、センサ２の出力が経年変化、環境等により変動しても、センサ２により測定される物理量のデータを正確に測定装置１０に伝搬させることが可能になるし、或いは、状況に応じてユーザがセンサ２の出力を調整することが可能になる。
なお、上述した実施形態においては、第１の光ファイバ、第３の光ファイバとして、一心の光ファイバの代わりに、多心光ファイバを用いてもよい。【００６０】
（第５の実施形態）
本実施形態では、測定装置１０とセンサユニット１の間に敷設される光ファイバの心数に余裕がある場合のシステムについて説明する。
図５は、本発明の第５の実施形態に係る光給電型センシングシステムの構成図であり、図３と同じ符号は同じ要素を示している。
図５において、センサユニット１内のセンサ２、光・電力変換器４、判定回路２１及び遮光機構２２は、それぞれ第３実施形態と同じ接続関係を有している。また、光・電力変換器４は、第３実施形態と同じように、第３の光ファイバ２３を介して光源２５に接続されている。【００６１】
センサユニット１内で遮光機構２２に接続される第１の光ファイバ５は、センサユニット１の外部に引き出されて測定装置１０内の光出力器３に接続されている。また、遮光機構２２に接続される第２の光ファイバ７は、センサユニット１の外部に引き出されて測定装置１０内の受光器１４に接続されている。【００６２】
以上のように本実施形態では、第３実施形態に示した光方向性結合器６，１１を用いずに、第１の光ファイバ５をセンサユニット１から測定装置１０に引き出して遮光機構２２と光出力器３を接続し、さらに、第２の光ファイバ７をセンサユニット１から測定装置１０に引き出して遮光機構２２と受光器１４を接続している。【００６３】
このため、光出力器３から出力された光は第１の光ファイバ５を介して遮光機構２２に伝搬される。また、判定回路２１は、センサ２の測定値に基づいて遮光機構２２を制御することにより、第１の光ファイバ５から出力された光を遮光機構２２で光信号に変換して第２の光ファイバ７に伝搬し、その光信号をそのまま受光器１４に入射させる。
これにより、光方向性結合器を省いてセンサユニット１内の構造を簡素化することができ、コストダウンが可能になる。【００６４】
なお、本実施形態では、図２に記載のような、光・電力変換器４の電力出力端に接続された蓄電部と、蓄電部の出力端とセンサ２の間に接続されるスイッチング部と、蓄電部に蓄えられた電力をセンサ２に供給する指令信号をスイッチング部に出力する電力供給指令回路とをさらに配置させた構成としても良い。
なお、上述した実施形態においては、第１の光ファイバとして、一心の光ファイバの代わりに、多心光ファイバを用いてもよい。【００６５】
（第６の実施形態）
本実施形態では、複数のセンサユニットにより測定された物理量を１カ所の測定装置により処理する構造の光給電型センシングシステムについて説明する。
図６は、本発明の第６の実施形態に係る光給電型センシングシステムの構成図である。図６において、図１と同じ符号は同じ要素を示している。
図６において、複数のセンサユニット１ｘ1 ,…,１ｘn のそれぞれには、第１実施形態と同様に、物理量を測定するセンサ２ｘ1 ,…,２ｘn と、センサ２ｘ1 ,…,２ｘn の出力信号に応じた光信号を出力する光出力器３ｘ1 ,…,３ｘn と、センサ２ｘ1 ,…,２ｘn の電源端子に電気エネルギーを供給する光・電力変換器４ｘ1 ,…,４ｘn が取り付けられている。それぞれの光出力器３ｘ1 ,…,３ｘn は、出力する光信号の波長λ1 ,…,λn が異なるように構成されている。【００６６】
また、光・電力変換器４ｘ1 ,…,４ｘn の受光面には第１の光ファイバ５ｘ1 ,…,５ｘn の一端が接続され、第１の光ファイバ５ｘ1 ,…,５ｘn の他端は第１の光方向性結合器６ｘ1 ,…,６ｘn の第１入出力ポート６ａに接続されている。さらに、光出力器３ｘ1 ,…,３ｘn の光信号出力面には第２の光ファイバ７ｘ1 ,…,７ｘn の一端が接続され、第２の光ファイバ７ｘ1 ,…,７ｘn の他端は第１の光方向性結合器６ｘ1 ,…,６ｘn の第２入出力ポート６ｂに接続されている。さらに、第１の光方向性結合器６ｘ1 ,…,６ｘn の第３入出力ポート６ｃには、測定装置１０に引き出される第３の光ファイバ８ｘ1 ,…,８ｘn の一端が接続されている。【００６７】
複数のセンサユニット２ｘ1 ,…,２ｘn のそれぞれに取り付けられた光出力器３ｘ1 ,…,３ｘn は異なる波長の光信号を出力する構成となっている。また、センサユニット２ｘ1 ,…,２ｘn のそれぞれに取り付けられる第３の光ファイバ８ｘ1 ,…,８ｘn の他端は、光カプラ３０ｘ1 ,…,３０ｘn を介してバスライン用光ファイバ３１に接続されている。【００６８】
一方、測定装置１０内では、バスライン用光ファイバ３１の他端が接続される第１入出力ポート１１ａを有する第２の光方向性結合器１１が取り付けられ、また、第２の光方向性結合器１１の第２入出力ポート１１ｂには第４の光ファイバ１２の一端が接続され、さらに第３入出ポート１１ｃには第５の光ファイバ１３の一端が接続されている。また、第４の光ファイバ１２の他端は分波器３２に接続され、その分波器３２は異なる波長λ1 ,
…,λn の光信号を分離して別々の受光器１４ｘ1 ,…,１４ｘn へ出力するように構成されている。【００６９】
さらに、複数の受光素子１４ｘ1 ,…,１４ｘn はデータ処理装置１６に接続され、そのデータ処理装置１６は受光素子１４ｘ1 ,…,１４ｘn から入力した波長の違いによってセンサユニット１ｘ1 ,…,１ｘn の位置を確認するととにその中のセンサ２ｘ1 ,…,２ｘn の測定データを処理する。【００７０】
この光給電型センシングシステムにおいて、測定装置１０の光源１５から出た光は第５の光ファイバ１３ｘ1 ,…,１３ｘn を伝搬して第２の光方向性結合器１１の第３入出力ポート１１ｃに入射した後に内部でシフトされて第１入出力ポート１１ａから出力され、さらにバスライン用光ファイバ３１に出力される。【００７１】
バスライン用光ファイバ３１内に入射した光源１５からの光は複数の光カプラ３０ｘ1 ,…,３０ｘn により複数の第３の光ファイバ８ｘ1 ,…,８ｘn に分岐されて各センサユニット１ｘ1 ,…,１ｘn 内の第１の光方向性結合器６ｘ1 ,…,６ｘn の第３入出力ポート６ｃに入力する。【００７２】
そして、第３入出力ポート６ｃに入射した光は第２の光ファイバ５ｘ1 ,…,５ｘn を伝搬して各光・電力変換器４ｘ1 ,…,４ｘn の受光面に照射される。【００７３】
光・電力変換器４ｘ1 ,…,４ｘn は、入射した光のエネルギーを電気エネルギーに変換してセンサ２ｘ1 ,…,２ｘn に電力を供給する。これによりセンサ２ｘ1 ,…,２ｘn は物理量を測定できる状態となる。【００７４】
センサ２ｘ1 ,…,２ｘn によって測定された物理量は光出力器３ｘ1 ,…,３ｘn から光信号として出力された後に、第１の光ファイバ７ｘ1 ,…,７ｘn を介して第１の光方向性結合器６ｘ1 ,…,６ｘn の第１入出力ポート６ａに入射され、さらに第３入出力ポート６ｃから第３の光ファイバ８ｘ1 ,…,８ｘn に出射され、さらに、光カプラ３０ｘ1 ,…,３０ｘn を介してバスライン用光ファイバ３１に入力され、ついで、第２の光方向性結合器１１の第１入出力ポート１１ａに入射され、第２入出力ポート１１ｂから第４の光ファイバ１２を伝搬して分波器３２へと出射される。【００７５】
分波器３２は、光信号を波長λｘ1 ,…,λｘn 毎に別々の受光器１４ｘ1 ,…,１４ｘn に分ける。各受光器１４ｘ1 ,…,１４ｘn に入射された光信号は電気信号に変換されてデータ処理装置１６に入力される。そして、データ処理装置１６は、受光器１４ｘ1 ,…,１４ｘn の各々から出力された信号に基づいて複数のセンサ２ｘ1 ,…,２ｘn により測定された物理量を処理することになる。【００７６】
以上のように本実施形態では、センサユニット１ｘ1 ,…,１ｘn により測定された物理量を光信号に変換し、さらに光カプラ３０ｘ1 ,…,３０ｘn を介して１つのバスライン用光ファイバ３１に伝搬し、さらに１つの測定装置１０で複数のセンサ２ｘ1 ,…,２ｘn に基づく測定物理量を処理するようにしたので、複数のセンサ２ｘ1 ,…,２ｘn の測定データ管理がしやすくなる。【００７７】
なお、複数のセンサユニット１ｘ1 ,…,１ｘn における光出力器３ｘ1 ,…,３ｘn の出力光信号に異なる変調をかける構成を採用してもよく、この場合、測定装置内の分波器３２の代わりに復調器が用いられる。このような構成では、各センサユニット１ｘ1 ,…,１ｘn における光出力器３ｘ1 ,…,３ｘn の出力波長λ1 ,…,λn を同じにしてもよい。【００７８】
また、図６では、第１の実施形態におけるセンサユニットを複数用いた例を示しているが、第２〜第５の実施形態で示したセンサユニットを複数用いて１つの測定装置に接続してもよい。この場合、１つの測定装置１０に対して複数のセンサユニット１を接続するために、センサユニット１から引き出される光ファイバに対応した本数のバスライン用光ファイバと光カプラが必要になる。【００７９】
（第７の実施形態）
本実施形態では、上記した実施形態で採用されるセンサユニットの汚染防止構造について説明する。
図７は、本発明の第７の実施形態に係る光給電型センシングシステムのセンサユニットの筐体の一部とセンサを示す断面図であり、図１〜図６に示す符号と同一符号は同一要素を示している。【００８０】
図７において、センサユニット１の筐体３０の底部には開口部３１が形成され、その開口部３１は透明膜３２により閉塞されている。また、透明膜３２の下面には光触媒層３３として例えば酸化チタン層が形成されている。酸化チタン層は、製造方法、膜厚などの調整により光透過性を有し、例えば光透過性バインダーに酸化チタンの粉末を混ぜたり、過酸化チタン酸溶液を焼き付けて成膜される。【００８１】
さらに、筐体３０内では、上述した各実施形態の光・電力変換器４に接続される電力供給用の光ファイバ５，２３から光カプラ３４を介して分岐された光供給用光ファイバ３５が配置されている。その光供給用光ファイバ３５は、波長変換素子３６を介して透明膜３２に引き出され、さらに、その先端面は透明膜３２に接触して固定されている。波長変換器３６は、例えば、赤外光を紫外光に変換する非線形光学材料、或いは半導体レーザから構成されている。【００８２】
このようなセンサユニット１によれば、電力供給用の光ファイバ５，２３を介して光源１５，２５から光・電力変換器４に光を照射してセンサ２に電力を供給する際に、その光ファイバ５，２３を伝搬する光は光カプラ３４によって光供給用光ファイバ３５に分岐される。【００８３】
光供給用光ファイバ３５内を伝搬する光は、波長変換素子３６によって波長が変換された後に透明膜３２に照射される。さらに透明膜３２を透過した光は、光触媒層３３に照射されて触媒反応を生じさせて光触媒層３３表面の汚れを分解させる。また、光供給用光ファイバ３５の先端は透明膜３２に接触して固定されているので、その先端が汚染されることはない。さらに、透明膜３２を所定の高屈折率材料から構成すれば、透明膜３２に入射した光は乱反射して光触媒層３３のより広い領域に光が照射される。【００８４】
上記した光触媒層３３は、センサユニット１の下面ではなく、センサ２のみに形成されてもよい。例えば、センサ２が、所定雰囲気中の酸素量を検出する酸素濃度検出素子である場合には、図８に示すように、センサ２の検出面を光触媒層３３で覆う。【００８５】
図８において、センサ２は、電解液２ａとして例えば水酸化カリウム（ＫＯＨ）が貯えられるケーシング２ｂを有し、また、ケーシング２ｂ底部の開口部２ｐは酸素透過性光透過膜２ｃ、例えばポリテトラフルオロエチレン膜に覆われている。さらに、酸素透過性光透過膜２ｃの下面に光触媒層３３が形成されている。【００８６】
ケーシング２ｂ内の電界液２ａ中では、陰極２ｄが第１信号線２ｅに接続されて酸素透過性光透過膜２ｃ寄りに配置されている。また、中電界液２ａ中では、陽極２ｆが第２信号線２ｇに接続されて陰極２ｄの上方に配置されている。陰極２ｄは例えば銀（Ag）、金（Au）若しくは銅（Cu）等から構成され、陽極２ｆは例えば鉛（Pb）、スズ（Sn）等から構成される。【００８７】
また、ケーシング２ｂ内では光供給用光ファイバ３５が電解液２ａに差し込まれて酸素透過性光透過膜２ｃに接続されている。【００８８】
このようなセンサ２によれば、光供給用光ファイバ３５内を伝搬した紫外光が酸素透過性光透過膜２ｃを透過して光触媒層３３に照射され、光触媒層３３の表面上の汚染物質を分解するので、センサ２の測定面の汚染が防止されて測定精度の低下が抑制される。【００８９】
なお、光供給用光ファイバ３５から出射された光の広がりが不十分な場合には、図９に示すように、バンドルされた複数本の光供給用光ファイバ３５を酸素透過性光透過膜２ｃに分離分散させて接続すると、光触媒層３３の光照射領域が広くなって汚染物質の分解効率を高めることができる。
（第８の実施形態）
図１０は、本発明の第８の実施形態を示す光給電型センシングシステムの構成図である。この態様においては、接点信号を入力させて検知する。
図１０に示す態様は、図１に示す本発明の第１の実施形態における、物理量を測定するセンサ２の代わりに、外部入力によってオン、オフ状態になる接点２９が設けられている。接点２９は、外部入力がない場合、即ち正常な状態にあるときはオフ状態にあり、外部入力がある場合、即ち異常な状態にあるときはオン状態になる。接点２９がオフの状態では光出力器３に光・電力変換器４からの電圧が入力されず、接点２９がオンの状態では光出力器３に光・電力変換器４から電力が入力される。即ち、測定対象物の状態に応じて光・電力変換器４の出力電圧をオンオフ制御する回路が設けられる。
例えば、第１実施形態と同様に、対象物を水とし、溶存酸素が所定の値を超えると、接点２９に、外部入力として信号が入力されるように設定しておけばよい。
接点２９がオンの状態では、光・電力変換器４から入力される電圧は、実施形態１と同様に、光出力器３により電気信号から光信号に変換されて第２の光ファイバ７に出力される。その他は第１実施形態と同じ。
（第９の実施形態）
図１１は、本発明の第９の実施形態を示す光給電型センシングシステムの構成図である。
図１１に示す形態は、図１に示す本発明の第１の実施形態における、物理量を測定するセンサ２の代わりに、被監視設備３０（監視対象）の状態の変化に伴う入力によってオン、オフ状態になる接点が設けられている。例えば、接点は、タンク内に設置されて、タンク内の水位が所定高さよりも高いときには、接点は正常な状態にありオフ状態にあり、水位が所定高よりも減少してくると、接点は異常な状態にありオン状態になる。接点がオフの状態では光出力器３に光・電力変換器４からの電圧が入力されず、接点がオンの状態では光出力器３に光・電力変換器４から電力が入力される。即ち、この形態においても、測定対象物の状態に応じて光・電力変換器４の出力電圧をオンオフ制御する回路が設けられる。
接点がオンの状態では、光・電力変換器４から入力される電圧は、実施形態１と同様に、光出力器３により電気信号から光信号に変換されて第２の光ファイバ７に出力される。その他は第１実施形態と同じ。
図１０〜図１１にて、接点信号を入力させて検知する構造を示したが、アナログ信号を入力させる構成も可能である。
（第１０の実施形態）
図１２は、本発明の第１０の実施形態を示す光給電型センシングシステムの構成図である。
図１２に示す形態は、図５に示す本発明の第５実施形態における遮光機構の代わりに波長変換手段２８を用いたものである。波長変換手段２８としては、例えばＦＢＧ＋ピエゾ素子を利用することができる。即ち、ＦＢＧとピエゾ素子にて構成され、ピエゾ素子にて発生する歪をＦＢＧに伝達させる機構を利用することができる。
本実施形態では、第３実施形態に示した光方向性結合器６，１１を用いずに、第１の光ファイバ５をセンサユニット１から測定装置１０に引き出して波長変換機構２８と光出力器３を接続し、さらに、第２の光ファイバ７をセンサユニット１から測定装置１０に引き出して波長変換機構２８と受光器１４を接続している。【００９０】
このため、光出力器３から出力された光は第１の光ファイバ５を介して波長変換機構２８に伝搬される。また、判定回路２１は、センサ２の測定値に基づいて波長変換機構２８を制御する。例えば、正常な状態の場合には、第１の光ファイバ５から出力された光は波長変換機構２８で波長変換されることなく第２の光ファイバ７に伝搬し、その光信号がそのまま受光器１４に入射される。異常な状態の場合には、判定回路２１によって制御され、第１の光ファイバ５から出力された光は波長変換機構２８によって波長変換され、波長変換された光信号が第２の光ファイバ７に伝搬し、その光信号が受光器１４に入射される。その他は、本発明の第５実施形態と同じ。
更に、図１０〜１１にて用いた接点入力を利用した構成も可能である。この場合には、入射光と出射光の波長が異なる場合についても高効率の発電が可能になる。
（第１１の実施形態）
図１３は、本発明の第１１の実施形態を示す光給電型センシングシステムの構成図である。
図１３に示す形態は、図１に示す本発明の第１実施形態において、第２の光方向性結合器と受光器１４の間に光増幅器３１を設けたものである。即ち、受光器に入力する信号光の強度を光増幅器３１によって増幅させる。例えば、光増幅器３１は、Ｅｒドープファイバと励起光源（波長１４８０ｎｍなど）から構成され、Ｅｒドープファイバに励起光を通光させると１５５０ｎｍ帯の伝送信号が増幅される原理を利用する。その他は本発明の第１実施形態と同じである。
（第１２の実施形態）
図１４は、本発明の第１２の実施形態を示す光給電型センシングシステムの構成図である。
図１４に示す形態は、図５に示す本発明の第５実施形態において多心ファイバを利用した場合である。光・電力変換器と光源との間の光ファイバに多心光ファイバを使用している。その際、光分岐器を使用しないで、複数台の光源の出力を多心光ファイバに入力してもよい。その他は、本発明の第５実施形態と同じである。
【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】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【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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