JP6116395B2 - 光給電型センシングシステム - Google Patents

Description

本発明は、光を用いて遠隔のセンサに給電する光給電型センシングシステムに関し、より詳細には、経年使用で生じる劣化などに対する動作信頼性を向上した光給電型センシングシステムに関する。

光給電型センシングシステムは、検出対象の状態を検出するセンサが監視場所から遠隔して配設され、かつセンサ電源が近傍で確保されない場合に適用される。検出対象としては、気象観測や水質管理に関する諸量などを例示できる。光給電型センシングシステムは、光を用いて監視場所からセンサに給電し、かつセンサから出力される検出信号も光信号に変換して監視場所に伝送する場合が多い。したがって、光給電型センシングシステムは、落雷や電磁誘導、電気ノイズなどの影響を受けやすい屋外への適用効果が大きい。この種の光給電型センシングシステムの一技術例が特許文献１に開示されている。

特許文献１の光給電型センシングシステムは、光電力変換器および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および光データを受光する受光器を備えた測定装置とを有し、複数の光ファイバー、遮光機構、および判定回路などを組み込んで構成している。これにより、給電電力が従来よりも増加し、センサを精度よく安定に駆動できる、とされている。光給電型センシングシステムを経年使用すると、電力や電気信号を光に変換する電気光変換部や逆方向の光電気変換部が劣化して、給電性能や信号伝送特性が低下しがちである。また、経年使用によって光ファイバーの光伝達特性が低下するおそれがあり、特に環境の厳しい屋外使用では劣化が進みがちである。このような性能低下に対応する関連技術の一例が特許文献２の請求項４に開示されている。

特許文献２の請求項４の電力・信号伝送装置は、受信局および送信局で構成されており、実施形態の説明によると受信局と送信局の間は光ファイバーで結ばれている。そして、受信局は、パルスまたは交流信号からなる受信信号を直流電力に変換する整流器と、受信信号から意味のある信号列を復元する復調器とを備え、さらに、受信信号のレベルを監視する電圧監視回路相当と、該電圧監視回路相当の出力を送信局に帰還通知する駆動回路とを備えている。一方、送信局は、帰還通知された受信局での受信信号のレベルに応じてパルスまたは交流信号の電力を制御する。これにより、Ｓ／Ｎ（信号対雑音比）がよく、長期間使用しても信号検出性能が低下せず、さらに、電圧監視回路相当を設けて帰還制御するようにしたので安定した動作が得られる、とされている。

特許第４８５１３３０号公報 特開２００１−１１１４８６号公報

ところで、特許文献２の技術例では、電圧監視回路相当を設けて帰還制御することにより、送信局から受信局への給電性能および信号伝送特性の低下を監視できる点は好ましい。しかしながら、逆方向の受信局から送信局への信号伝送特性が大きく低下した場合に、帰還通知信号が送信局に到達せず帰還制御が機能しない。このため、動作不安定のおそれは解消されない。例えば、共通の光ファイバーを用いて異なる波長の光を双方向に伝達する構成では、経年使用による光ファイバーの光伝達特性の低下は双方向に作用する。このため、双方向の光をともに増強することが好ましいが、特許文献２の技術では、送信局から受信局への単方向しか増強できない。

上記した光給電型センシングシステムの経年劣化への対応策として、推奨されるメンテナンスサイクルに基づいて定期的なメンテナンスを行うことが一般的になっている。メンテナンスでは、例えば、特許文献２の送信局と受信局との間や、特許文献１の測定装置とセンサユニットとの間の光伝達特性を確認して、光のパワー（送出光強度）を調整する作業を行うことになり、実施頻度に応じてメンテナンスコストが増大する。さらに、劣化傾向が進展すると定期的なメンテナンスで所定の性能を維持できず、頻繁なメンテナンスが必要となるため、寿命と判断して光給電型センシングシステムを更新する場合も生じる。

本発明は、上記背景技術の問題点に鑑みてなされたものであり、双方向の送出光強度を調整する機能を付与して動作信頼性を向上するとともに、メンテナンスサイクルを延長してメンテナンスコストを低減し、さらにはシステムの長寿命化に資する光給電型センシングシステムを提供することを解決すべき課題とする。

上記課題を解決する請求項１に係る光給電型センシングシステムの発明は、電力を光に変換して送出する給電変換部、前記光の送出光強度を制御する給電制御部、ならびに光信号を受信して電気信号に変換する受信変換部を有する給電装置と、前記光を受け取って受電電力に変換する受電変換部、前記光の受取光強度を検出するとともに前記受取光強度の値が所定閾値未満に低下した状態を判定して光強度警報を発する光強度監視部、前記受電電力によって動作し検出対象の状態に応じた検出信号を出力するセンサ部、ならびに前記受取光強度の値および前記光強度警報の少なくとも一方と前記検出信号とを前記光信号に変換して送信する送信変換部を有する受電装置と、前記給電装置と前記受電装置とを結んで前記光および前記光信号を伝達する光伝達手段とを備え、前記給電制御部は、前記電気信号に含まれる前記受取光強度の値が前記所定閾値未満に低下した場合または前記電気信号に前記光強度警報が含まれる場合に前記光の送出光強度を増強し、前記受電装置は、前記光強度警報が所定時間にわたって継続したときに前記光信号の送信光強度を増強する送信制御部をさらに有する。

これによれば、受電装置の光強度監視部は、給電用の光の受取光強度を検出し、その値が低下した状態を判定して光強度警報を発する。受取光強度の値および光強度警報の少なくとも一方は、センサ部の検出信号とともに光信号に変換されて給電装置に伝達される。また、受電装置の送信制御部は、光強度警報が所定時間にわたって継続したときに、光信号の送信光強度を増強する。このため、仮に光伝達手段で双方向の光伝達特性が低下していても良好な信号伝送性能が確保され、光信号が給電装置に伝送される。したがって、給電装置の受信変換部で光信号を電気信号に変換して、センサ部の元の検出信号を確実に得ることができる。さらに、電気信号に含まれる受取光強度の値または光強度警報に基づいて、給電制御部は光の送出光強度を増強するので、受取光強度の低下を補償して良好な給電性能を維持できる。つまり、双方向の光のパワー（送出光強度）を増強することにより、センシングおよび光給電の動作信頼性がともに向上する。

また、経年使用により給電変換部や受電変換部の変換性能が低下し、あるいは光伝達手段の光伝達特性が低下して受取光強度の値が低下した場合に、双方向の送出光強度を自動で増強するので、光のパワーを調整するメンテナンスが必要となるのは稀である。したがって、メンテナンスサイクルを延長してメンテナンスコストを低減できる。さらには、経年劣化により頻繁なメンテナンスが必要になってシステムの寿命と判断するケースが減少するので、システムの長寿命化に資することができる。

請求項２に係る発明は、請求項１において、前記送信制御部は、前記受取光強度の値が前記所定閾値に不足する不足量の大小に応じて前記光信号の送信光強度の増強量を調整する。

これによれば、経年劣化により給電用の光の受取光強度の不足量が大きいときに、光信号の送信光強度の増強量を大きくできる。このため、仮に光伝達手段で双方向の光伝達特性が大きく低下していても、不足量を補償するように光信号の送信光強度を増強でき、光信号は確実に給電装置に伝達される。したがって、センシングおよび光給電の動作信頼性がともに向上する。

請求項３に係る発明は、請求項１または２において、前記送信変換部は、前記光信号の送信光強度の値を前記光信号に変換して送信する。

これによれば、給電装置側で、給電用の光の送出光強度および受取光強度、ならびに光通信用の光信号の送信光強度を把握でき、さらに受信変換部で光信号の受信光強度を容易に把握できる。つまり、監視員が受電装置まで赴かずとも給電装置側で双方向の光伝達特性を定量的に把握して、経年劣化度の評価や劣化発生部位の推定などを行えるので、メンテナンスを効率化できる。

請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれか一項において、前記給電変換部が送出する光はレーザー光であり、前記光伝達手段は、２芯光ファイバーケーブル、あるいは、両端に前記レーザー光と前記光信号とを分離する光分離部を有する１芯双方向光ファイバーケーブルである。

これによれば、給電用にレーザー光および光ファイバーケーブルを用いるので、伝達損失を低減して高い効率で光給電することができる。また、光信号も光ファイバーケーブルで伝達されるので、信号伝送特性が安定する。さらに、レーザー光と光信号とを異なる波長として光分離部を有する態様では、光ファイバーケーブルを１芯として細径化でき、材料コストや敷設コストを低減できる。

第１実施形態の光給電型センシングシステムの全体構成を示す構成ブロック図である。 第１実施形態において、受電装置から給電装置への光通信で使用する送信データおよび受信データのデータ構造を例示説明する図である。（Ａ）は、検出信号、受取光強度、および送信光強度の３量を一括して伝送する場合のデータ構造の例を示し、（Ｂ）および（Ｃ）は、（Ａ）に代えて使用するデータ構造のセットの例を示している。 第１実施形態における給電装置の状態遷移図である。 第１実施形態における受電装置の状態遷移図である。 第１実施形態における給電装置の処理フロー図である。 第１実施形態における受電装置の処理フロー図である。 第２実施形態の光給電型センシングシステムの全体構成を示す構成ブロック図である。

本発明の第１実施形態の光給電型センシングシステム１について、図１〜図６を参考にして説明する。図１は、第１実施形態の光給電型センシングシステム１の全体構成を示す構成ブロック図である。図示されるように、光給電型センシングシステム１は、給電装置２、受電装置３、および光ファイバーケーブル４で構成されている。光給電型センシングシステム１は、給電装置２から受電装置３へ光給電し、受電装置３側のセンサ部３４で検出対象の状態を検出して得られる検出信号Ｓｄのデータを給電装置２へ光通信し、給電装置２側で検出対象の状態を把握するシステムである。図中の太い矢印はパワーの流れを示し、細い矢印は信号および情報の流れを示している。

給電装置２は、レーザーダイオード２１、フォトダイオード２２、受信回路部２３、および給電コントローラ２５を含むメインコントローラ２４などで構成されている。レーザーダイオード２１は、電力を給電周波数ｆｐ、送出光強度Ｐｓのレーザー光に変換して、光ファイバーケーブル４の第１ファイバー線４１の一端４１Ｓに送出する。レーザーダイオード２１は、本発明の給電変換部に相当する。フォトダイオード２２は、光ファイバーケーブル４の第２ファイバー線４２の一端４２Ｒから後述する光信号を受信し、電気信号に変換して受信回路部２３に出力する。フォトダイオード２２は、本発明の受信変換部に相当する。受信回路部２３は、受け取った電気信号を情報化して受信データＤｒとし、メインコントローラ２４に出力する。

メインコントローラ２４は、受け取った受信データＤｒに含まれる受電装置３側のセンサ部３４の検出信号Ｓｄのデータに対して所定の処理を施す。所定の処理として、検出信号Ｓｄのデータをメモリ部に記憶する処理や、表示部に表示する処理や、上位装置に転送する処理を例示でき、これらに限定されない。メインコントローラ２４には、ＣＰＵ、メモリ部、表示部、入力部、および通信インターフェース部を有してソフトウェアで動作する電子制御装置を用いることができる。また、メインコントローラ２４および受信回路部２３を一体品としてもよい。

メインコントローラ２４に含まれる給電コントローラ２５は、光通信で受け取った受信データＤｒに含まれ受電装置３側の光強度監視部３２の受取光強度Ｐｒの値または光強度警報Ａｌｍに基づいて、レーザーダイオード２１の送出光強度Ｐｓを制御する。本第１実施形態で、給電コントローラ２５は、受取光強度Ｐｒの変動の許容範囲の上限となる上限閾値ＰｕＰおよび下限となる所定閾値Ｐｄｗｎを予め保持している。そして、給電コントローラ２５は、受取光強度Ｐｒが上限閾値Ｐｕｐを超過すると送出光強度Ｐｓを低減し、受取光強度Ｐｒが所定閾値Ｐｄｗｎ未満に低下すると送出光強度Ｐｓを増強する。給電コントローラ２５は、本発明の給電制御部に相当する。

受電装置３は、フォトダイオード３１、光強度監視部３２、受電回路部３３、センサ部３４、送信コントローラ３６を含んだ送信回路部３５、およびレーザーダイオード３７などで構成されている。フォトダイオード３１は、光ファイバーケーブル４の第１ファイバー線４１の他端４１Ｒからレーザー光を受け取って受電電力に変換し、受電回路部３３に出力する。フォトダイオード３１は、本発明の受電変換部に相当する。光強度監視部３２は、フォトダイオード３１が受け取ったレーザー光の受取光強度Ｐｒを検出する。光強度監視部３２は、さらに、受取光強度Ｐｒの値が予め設定された所定閾値Ｐｄｗｎ未満に低下した状態を判定して光強度警報Ａｌｍを発する。光強度監視部３２は、受取光強度Ｐｒの値および光強度警報Ａｌｍを送信回路部３５に出力する。

受電回路部３３は、受け取った受電電力に整流や電圧安定化などの処理を行って、安定した電源電圧Ｅを生成する。電源電圧Ｅは、動作電源として光強度監視部３２、センサ部３４、および送信回路部３５に供給される。センサ部３４は、検出対象の状態を検出して、状態に応じた検出信号Ｓｄを送信回路部３５に出力する。検出信号Ｓｄの形態はアナログ信号およびディジタル信号のいずれでもよい。センサ部３４の検出対象として、気象観測や水質管理に関する諸量、振動や衝撃などの物理量、侵入検出や近接検出などを例示でき、検出対象に特別な制約はない。

送信回路部３５は、光強度監視部３２から受け取った受取光強度Ｐｒの値および光強度警報Ａｌｍの少なくとも一方と、センサ部３４から受け取った検出信号Ｓｄとをデータ化して送信データＤｓとし、レーザーダイオード３７に出力する。レーザーダイオード３７は、受け取った送信データＤｓを通信周波数ｆｃ、送信光強度Ｑｓの光信号に変換して、光ファイバーケーブル４の第２ファイバー線４２の他端４２Ｓに送信する。レーザーダイオード３７は、本発明の送信変換部に相当する。送信回路部３５に含まれる送信コントローラ３６は、光強度警報Ａｌｍが予め設定した所定時間にわたって継続したときに、光信号の送信光強度Ｑｓを増強する。送信コントローラ３６は、本発明の送信制御部に相当する。送信回路部３５および送信コントローラ３６には、ＣＰＵ、メモリ部、および入出力部を有してソフトウェアで動作する電子制御装置を用いることができる。

光ファイバーケーブル４は、本発明の光伝達手段に相当し、第１ファイバー線４１および第２ファイバー線４２の２芯で構成されている。第１ファイバー線４１は、その一端４１Ｓ側のレーザーダイオード２１から他端４１Ｒ側のフォトダイオード３１へとレーザー光を伝達する光給電の用途に用いられる。第２ファイバー線４２は、その他端４２Ｓ側のレーザーダイオード３７から一端４２Ｒ側のフォトダイオード２２へと光信号を伝達する光通信の用途に用いられる。光ファイバーケーブル４には、保護層やシースを有する一般的なものを使用できる。また、３芯以上の光ファイバーケーブルを採用して、１芯を光通信の用途とし、他の芯を光給電の用途に使用してもよい。

なお、第１実施形態は、１台の給電装置２および１台の受電装置３が対向する１：１システムであるが、１台の給電装置２に複数台の受電装置３が対向する１：ｎシステムを採用することもできる。１：ｎシステムでは、給電装置２の受信回路部２３およびメインコントローラ２４は複数台の受電装置３に対して共通にでき、レーザーダイオード２１およびフォトダイオード２２は受電装置３と同数必要になる。

次に、受電装置３から給電装置２への光通信で使用するデータ構造について説明する。図２は、第１実施形態において、受電装置３から給電装置２への光通信で使用する送信データＤｓおよび受信データＤｒのデータ構造を例示説明する図である。図２の（Ａ）は、センサ部３４の検出信号Ｓｄ、光強度監視部３２が検出した受取光強度Ｐｒ、および送信コントローラ３６が制御する送信光強度Ｑｓの３量を一括して伝送する場合のデータ構造の例を示している。また、図２の（Ｂ）および（Ｃ）は、（Ａ）に代えて使用するデータ構造のセットの例を示している。

図２の（Ａ）〜（Ｃ）のデータ構造で、共通に用いられる先頭の「ＳＯＦ」は、Start of Frame（データの始まり）を意味し、共通に用いられる末尾の「ＥＯＦ」は、End of Frame（データの終わり）を意味している。「ＳＯＦ」および「ＥＯＦ」は、データの区切りを見分けるために使用する。図２の（Ａ）のデータ構造の２番目の「センサＩＤ」は、前述した１：ｎシステムで複数台の受電装置３のいずれかを特定するデータである。（Ａ）のデータ構造の３番目は、センサ部３４の検出信号Ｓｄのデータである。検出信号Ｓｄの物理的な表記単位は、検出対象に合わせて適宜選定する。

さらに、図２の（Ａ）のデータ構造の４番目は、光強度監視部３２が検出した受取光強度Ｐｒのデータである。受取光強度Ｐｒの表記単位には、例えばｄＢｍ（１ミリワットを基準とするデシベル値）を使用でき、これに限定されない。（Ａ）のデータ構造の５番目は、送信コントローラ３６が制御する送信光強度Ｑｓのデータである。送信光強度Ｑｓの表記方法は、例えば、標準値をレベル０で表記し、増強したときには増強の段階に合わせてレベル１、レベル２、……、レベルＭＡＸと順次高いレベルを表記する。

また、図２の（Ａ）のデータ構造に代えて、（Ｂ）および（Ｃ）のデータ構造を併用するようにしてもよい。（Ｂ）のデータ構造は常時使用し、（Ｃ）のデータ構造は光強度監視部３２が光強度警報Ａｌｍを発しているときに（Ｂ）と併せて使用する。（Ｂ）のデータ構造の２番目の「ＳＥＮＳＯＲ」は、センサ部３４の検出信号Ｓｄのデータが次の３番目にあることを示すものである。（Ｂ）のデータ構造の４番目は、光強度監視部３２が検出した受取光強度Ｐｒのデータである。一方、（Ｃ）のデータ構造の２番目の「ＥＲＲＯＲ」は、光強度警報Ａｌｍを発している状態を示すものである。（Ｃ）のデータ構造の３番目は、光強度監視部３２が検出した受取光強度Ｐｒのデータであり、４番目は、光強度監視部３２で監視に用いている所定閾値Ｐｊのデータである。

次に、上述のように構成された第１実施形態の光給電型センシングシステム１の動作について、給電装置２と受電装置３とに分け、状態遷移図および処理フロー図を用いて説明する。図３は、第１実施形態における給電装置２の状態遷移図であり、図４は受電装置３の状態遷移図である。図３および図４では、楕円で装置状態を示し、矢印で状態遷移を示し、矢印の近くの矩形に状態遷移条件を示す。また、図５は、第１実施形態における給電装置２の処理フロー図であり、図６は、受電装置３の処理フロー図である。

給電装置２は、図３に示されるように、正常状態Ｓ１、増強過渡状態Ｓ２、低減過渡状態Ｓ３、および故障状態Ｓ４の４状態を遷移する。正常状態Ｓ１は、レーザーダイオード２１から光給電を行い、かつ、フォトダイオード２２で光信号を受信してメインコントローラ２４が受信データＤｒを受け取っている状態である。正常状態Ｓ１で、受信データＤｒに含まれる受取光強度Ｐｒの値が上限閾値Ｐｕｐと所定閾値Ｐｄｗｎの範囲内にあるとき、矢印Ｍ１に示されるように、給電装置２は正常状態Ｓ１を維持する。

正常状態Ｓ１で受取光強度Ｐｒの値が所定閾値Ｐｄｗｎ未満に低下し、または光信号を受信できなくなると、矢印Ｍ２に示されるように、給電装置２は増強過渡状態Ｓ２に遷移する。増強過渡状態Ｓ２は、フォトダイオード２１の送出光強度Ｐｓを増強して、所定の増強時間ｔ１の経過を待つ状態である。増強時間ｔ１は、送出光強度Ｐｓを増強したことで過渡的に変化するシステム１の光給電状況および光通信状況が安定するまで待つ時間である。送出光強度Ｐｓの増強量は、予め定められた一定量としてもよいが、受取光強度Ｐｒの値が所定閾値Ｐｄｗｎに不足する不足量（＝Ｐｄｗｎ−Ｐｒ）の大小に応じて可変に調整するようにしてもよい。増強過渡状態Ｓ２に遷移してから増強時間ｔ１が経過すると、矢印Ｍ３に示されるように、給電装置２は正常状態Ｓ１に遷移する。

正常状態Ｓ１で受取光強度Ｐｒの値が上限閾値Ｐｕｐを超過すると、矢印Ｍ４に示されるように、給電装置２は低減過渡状態Ｓ３に遷移する。低減過渡状態Ｓ３は、フォトダイオード３１の送出光強度Ｐｓを低減して、所定の低減時間ｔ１の経過を待つ状態である。低減時間ｔ１は、送出光強度Ｐｓを低減したことで過渡的に変化するシステム１の光給電状況および光通信状況が安定するまで待つ時間である。本第１実施形態で、低減時間ｔ１は増強過渡状態Ｓ２の増強時間ｔ１に等しいが、必ずしも等しく設定する必要はない。送出光強度Ｐｓの低減量は、増強量と同様に、一定量でも可変調整量でもよい。低減過渡状態Ｓ３に遷移してから低減時間ｔ１が経過すると、矢印Ｍ５に示されるように、給電装置２は正常状態Ｓ１に遷移する。

正常状態Ｓ１で受取光強度Ｐｒの値が所定閾値Ｐｄｗｎ未満に低下し、かつ送出光強度Ｐｓが既に性能上の上限値まで増強されている場合、給電装置２は増強過渡状態Ｓ２に遷移せずに矢印Ｍ１で正常状態を維持する。また、正常状態Ｓ１で光信号を受信できなくなり、かつ送出光強度Ｐｓが既に性能上の上限値まで増強されている場合、矢印Ｍ６に示されるように、給電装置２は故障状態Ｓ４に遷移する。故障状態Ｓ４は、光給電を停止してメンテナンスを待つ状態である。故障状態Ｓ４で、給電装置２は、レーザーダイオード２１の送出光強度Ｐｓをゼロに落として光給電を停止し、所定の故障時処理を行う。故障時処理として、表示部に故障を表示して監視員に報知する処理や、上位装置に故障を通報する処理を例示でき、これらに限定されない。

受電装置３は、図４に示されるように、正常状態Ｓ１１、光強度低下確認状態Ｓ１２、増強過渡状態Ｓ１３、および停止状態Ｓ１４の４状態を遷移する。正常状態Ｓ１１は、光給電により電源電圧Ｅが確保され、送信回路部３５が送信データＤｓを出力して光信号を送信している状態である。正常状態Ｓ１１で、光強度監視部３２の受取光強度Ｐｒの値が上限閾値Ｐｕｐと所定閾値Ｐｄｗｎの範囲内にあるとき、矢印Ｍ１１に示されるように、受電装置３は正常状態Ｓ１１を維持する。

正常状態Ｓ１で受取光強度Ｐｒの値が所定閾値Ｐｄｗｎ未満に低下して光強度警報Ａｌｍが発生すると、矢印Ｍ１２に示されるように、受電装置３は光強度低下確認状態Ｓ１２に遷移する。光強度低下確認状態Ｓ１２は、受取光強度Ｐｒの低下が一過性であるか、それとも所定時間ｔ２を超えた継続性を有するかを判別および確認している状態である。所定時間ｔ２が経過する以前に受取光強度Ｐｒの値が所定閾値Ｐｄｗｎ以上に復帰すると、矢印Ｍ１３に示されるように、受電装置３は正常状態Ｓ１１に遷移する。所定時間ｔ２が経過しても受取光強度Ｐｒの低下が継続していると、矢印Ｍ１４に示されるように、受電装置３は増強過渡状態Ｓ１３に遷移する。

増強過渡状態Ｓ１３は、レーザーダイオード３７の送信光強度Ｑｓを増強して、所定の増強時間ｔ３の経過を待つ状態である。増強時間ｔ３は、送信光強度Ｑｓを増強したことで過渡的に変化するシステム１の光通信状況および光給電状況が安定するまで待つ時間である。送信光強度Ｑｓの増強量は、予め定められた一定量としてもよいが、受取光強度Ｐｒの値が所定閾値Ｐｄｗｎに不足する不足量（＝Ｐｄｗｎ−Ｐｒ）の大小に応じて可変に調整することが好ましい。増強過渡状態Ｓ１３に遷移してから増強時間ｔ３が経過すると、矢印Ｍ１５に示されるように、受電装置３は光強度低下確認状態Ｓ１２に遷移する。また、増強過渡状態Ｓ１３で送信光強度Ｑｓの増強量が性能上の上限値（レベルＭＡＸ）まで増強された場合は、矢印Ｍ１６に示されるように、受電装置３は正常状態Ｓ１１に遷移する。

正常状態Ｓ１１で受取光強度Ｐｒの値が所定閾値Ｐｄｗｎ未満に低下し、かつ送信光強度Ｑｓが既に性能上の上限値（レベルＭＡＸ）まで増強されている場合、受電装置３は光強度低下確認状態Ｓ１２に遷移せずに矢印Ｍ１１で正常状態を維持する。また、正常状態Ｓ１１で受取光強度Ｐｒの値が上限閾値Ｐｕｐを超過すると、矢印Ｍ１７に示されるように、受電装置３は増強過渡状態Ｓ１３に遷移する。これは、光信号の伝送特性が大きく低下して、受取光強度Ｐｒが過大になっていながらもその旨を光通信で給電装置２側に伝達できていない場合を想定した対応策である。

正常状態Ｓ１１で、電源電圧Ｅが動作保証電圧未満に低下すると、矢印Ｍ１８に示されるように、受電装置３は停止状態Ｓ１４に遷移する。光強度低下確認状態Ｓ１２および増強過渡状態Ｓ１３でも同様に、電源電圧Ｅが動作保証電圧未満に低下すると、矢印Ｍ１９および矢印Ｍ２０に示されるように、受電装置３は停止状態Ｓ１４に遷移する。停止状態Ｓ１４は、受電装置３の制御機能自体は活きており、センシングや光通信などの機能を停止した状態である。停止状態Ｓ１４で、電源電圧Ｅが動作保証電圧以上に復帰すると、矢印Ｍ２１に示されるように、受電装置３は正常状態Ｓ１１に遷移する．このとき、送信コントローラ３６は、送信光強度Ｑｓを標準値（レベル０）に戻す。

なお、電源電圧Ｅの低下が顕著であると、受電装置３は制御機能自体を喪失して、物理的に停止する。この場合も、電源電圧Ｅが動作保証電圧以上に復帰すると、受電装置３は再始動して正常状態Ｓ１１になる。

次に、図５の処理フロー図で、給電装置２は、プロセスＰ１でレーザーダイオード２１からレーザー光を送出して光給電を開始する。光給電の開始後に或る程度の時間が経過して通常であれば受電装置３が始動した後に、給電装置２は、プロセスＰ２で光信号の受信処理を開始する。次にプロセスＰ３で、光信号を受信しているか否か判定し、受信していればプロセスＰ４に進む。プロセスＰ４で、受信データＤｒに含まれる受取光強度Ｐｒの値が所定閾値Ｐｄｗｎ未満に低下しているか否か判定し、低下していなければプロセスＰ５に進む。プロセスＰ５で、受取光強度Ｐｒの値が上限閾値Ｐｕｐを超過しているか否か判定し、超過していなければプロセスＰ３に戻る。光給電型センシングシステム１が良好に動作しているとき、給電装置２は、プロセスＰ３〜プロセスＰ５を繰り返す。プロセスＰ３〜プロセスＰ５の繰り返し処理は、図３の状態遷移図で矢印Ｍ１の状態遷移により正常状態Ｓ１を維持することに相当する。

プロセスＰ３で受信不可のときプロセスＰ６に進み、送出光強度Ｐｓが上限値か否か判定し、上限値でなければプロセスＰ７に進む。プロセスＰ７では、増強時間ｔ１を計時するｔ１タイマを始動させる。次にプロセスＰ８で送出光強度Ｐｓを増強し、プロセスＰ９で増強時間ｔ１の経過を待つ。そして、増強時間ｔ１が経過するとプロセスＰ３に戻る（※５のフロー）。プロセスＰ６〜プロセスＰ９の処理は、状態遷移図の矢印Ｍ２の状態遷移、増強過渡状態Ｓ２、および矢印Ｍ３の状態遷移に相当する。

プロセスＰ６で送出光強度Ｐｓが上限値であると、プロセスＰ１０に進んで故障時処理を行い、処理フローを終了する。プロセスＰ６およびプロセスＰ１０の処理は、状態遷移図の矢印Ｍ６の状態遷移、および故障状態Ｓ４に相当する。

プロセスＰ４で受取光強度Ｐｒが低下しているとき、プロセスＰ１１に進んで（※６のフロー）、送出光強度Ｐｓが上限値か否か判定する。そして、送出光強度Ｐｓが上限値であれば直ちにプロセスＰ３に戻り、そうでなければ（※７のフロー）前述のプロセスＰ７〜プロセスＰ９を実施してからプロセスＰ３に戻る。プロセスＰ４からプロセスＰ１１に進み直ちにプロセスＰ３に戻る処理は、状態遷移図の矢印Ｍ１の状態遷移に相当する。また、プロセスＰ４からプロセスＰ１１に進みプロセスＰ７〜プロセスＰ９を実施してからプロセスＰ３に戻る処理は、状態遷移図の矢印Ｍ２の状態遷移、増強過渡状態Ｓ２、および矢印Ｍ３の状態遷移に相当する。

プロセスＰ５で、受取光強度Ｐｒの値が上限閾値Ｐｕｐを超過しているとき、プロセスＰ１２に進む。プロセスＰ１２では、低減時間ｔ１を計時するｔ１タイマを始動させる。次にプロセスＰ１３で送出光強度Ｐｓを低減し、プロセスＰ１４で低減時間ｔ１の経過を待つ。そして、低減時間ｔ１が経過するとプロセスＰ３に戻る（※５のフロー）。プロセスＰ１２〜プロセスＰ１４の処理は、状態遷移図の矢印Ｍ４の状態遷移、低減過渡状態Ｓ２、および矢印Ｍ５の状態遷移に相当する。

次に、図６の処理フロー図で、受電装置３は、プロセスＰ３１で光給電が開始され、フォトダイオード３１がレーザー光を受け取り、受電回路部３３が電源電圧Ｅを生成すると始動する。これにより、センサ部３４は検出対象の検出を開始して検出信号Ｓｄを出力し、光強度監視部３２は受取光強度Ｐｒの検出および監視を開始する。また、送信コントローラ３６は、光信号の送信光強度Ｑｓを標準値（レベル０）に設定する。次にプロセスＰ３２で、送信回路部３５が動作を開始して、光信号の送信処理を開始する。

次にプロセスＰ３３で、電源電圧Ｅが動作保証電圧未満に低下しているか否か判定し、低下していなければプロセスＰ３４に進む。プロセスＰ３４で、受取光強度Ｐｒの値が所定閾値Ｐｄｗｎ未満に低下しているか否か判定し、低下していなければプロセスＰ３５に進む。プロセスＰ３５で、受取光強度Ｐｒの値が上限閾値Ｐｕｐを超過しているか否か判定し、超過していなければプロセスＰ３３に戻る。光給電型センシングシステム１が良好に動作しているとき、受電装置３は、プロセスＰ３３〜プロセスＰ３５を繰り返す。プロセスＰ３３〜プロセスＰ３５の繰り返し処理は、状態遷移図で矢印Ｍ１１の状態遷移により正常状態Ｓ１を維持することに相当する。

プロセスＰ３３で電源電圧Ｅが動作保証電圧未満に低下しているとき、プロセスＰ３６に進む。プロセスＰ３６で、受電装置３は一時的に光信号の送信処理を一時的に中断し、プロセスＰ３７に進んで電源電圧Ｅの復帰を待つ。そして、電源電圧Ｅが復帰すると、プロセスＰ３１に戻る。プロセスＰ３６からプロセスＰ３７を経てプロセスＰ３１に戻る処理は、状態遷移図の矢印Ｍ１８の状態遷移、停止状態Ｓ１４、および矢印Ｍ２１の状態遷移に相当する。

プロセスＰ３４で受取光強度Ｐｒが低下しているとき、プロセスＰ３８に進んで、送信光強度Ｑｓが上限値（レベルＭＡＸ）か否か判定する。そして、送信光強度Ｑｓが上限値であれば直ちにプロセスＰ３３に戻り（※１のフロー）、そうでなければプロセスＰ３９に進む。プロセスＰ３４からプロセスＰ３８に進み直ちにプロセスＰ３３に戻る処理は、状態遷移図の矢印Ｍ１１の状態遷移に相当する。

プロセスＰ３９では、所定時間ｔ２を計時するｔ２タイマを始動させる。次にプロセスＰ４０で、受取光強度Ｐｒが所定閾値Ｐｄｗｎ以上に復帰したか否か判定し、復帰していればプロセスＰ３３に戻る（※１のフロー）。プロセスＰ３４からプロセスＰ３８〜プロセスＰ４０を実施してプロセスＰ３３に戻る処理は、状態遷移図の矢印Ｍ１２の状態遷移、光強度低下確認状態Ｓ１２、および矢印Ｍ１３の状態遷移に相当する。

プロセスＰ４０で、受取光強度Ｐｒが所定閾値Ｐｄｗｎ以上に復帰していなければ、プロセスＰ４１に進み、確認時間ｔ２が経過したか否か判定する。確認時間ｔ２が経過していなければプロセスＰ４２に進み、経過していればプロセスＰ４３に進む（※２のフロー）。プロセスＰ４２で、電源電圧Ｅが動作保証電圧未満に低下していればプロセスＰ３６に合流し（※３のフロー）、低下していなければプロセスＰ４０〜プロセスＰ４２を繰り返す。プロセスＰ４１からプロセスＰ４３に進む処理は、状態遷移図の矢印Ｍ１４の状態遷移に相当する。また、プロセスＰ４２からプロセスＰ３６に合流する処理は、状態遷移図の矢印Ｍ１９の状態遷移に相当する。さらに、プロセスＰ４０〜プロセスＰ４２を繰り返す処理は、状態遷移図の光強度低下確認状態Ｓ１２に相当する。

プロセスＰ３５で受取光強度Ｐｒが上限閾値Ｐｕｐを超過しているとき、ならびに、プロセスＰ４１で確認時間ｔ２が経過しているときは、プロセスＰ４３に進む。プロセスＰ４３では、送信光強度Ｑｓが上限値（レベルＭＡＸ）か否か判定する。そして、送信光強度Ｑｓが上限値であれば直ちにプロセスＰ３３に戻り（※１のフロー）、そうでなければプロセスＰ４４に進む。プロセスＰ３５からプロセスＰ４３に進む処理は、状態遷移図の矢印Ｍ１７の状態遷移に相当する。また、プロセスＰ４３から直ちにプロセスＰ３３に戻る処理は、状態遷移図の矢印Ｍ１６の状態遷移に相当する。

プロセスＰ４４では、増強時間ｔ３を計時するｔ３タイマを始動させる。次にプロセスＰ４５で送信光強度Ｑｓを増強し、プロセスＰ４６で増強時間ｔ３の経過を待つ。そして、増強時間ｔ３が経過する以前はプロセスＰ４７に進んで、電源電圧Ｅが動作保証電圧未満に低下しているか否か判定する。電源電圧Ｅが低下していればプロセスＰ３６に合流し（※３のフロー）、そうでなければプロセスＰ４６およびプロセスＰ４７を繰り返す。プロセスＰ４６で増強時間ｔ３が経過すると、プロセスＰ３９に合流する。プロセスＰ４４およびプロセスＰ４５の処理は、状態遷移図の増強過渡状態Ｓ１３に相当する。また、プロセスＰ４７からプロセスＰ３６に合流する処理は、状態遷移図の矢印Ｍ２０の状態遷移に相当する。さらに、プロセスＰ４６からプロセスＰ３９に合流する処理は、状態遷移図の矢印Ｍ１５の状態遷移に相当する。

次に、第１実施形態の光給電型センシングシステム１の作用および効果について説明する。光給電型センシングシステム１が良好に動作しているとき、受電装置３の受取光強度Ｐｒは、上限閾値Ｐｕｐと所定閾値Ｐｄｗｎの間で安定する。これにより、給電装置２は正常状態Ｓ１で動作し、受電装置３も正常状態Ｓ１１で動作する。ところが、光給電型センシングシステム１を経年にわたって使用すると、各部に劣化の生じるおそれがある。

例えば、給電装置２のレーザーダイオード２１、受電装置３のフォトダイオード３１、および光ファイバーケーブル４の第１ファイバー線４１のいずれかが劣化すると、受電装置３の受取光強度Ｐｒが低下して動作不安定に陥るおそれが生じる。これに対して、第１実施形態では、センサ部３４の検出信号Ｄｓに併せて受取光強度Ｐｒの値を光信号で送信するようにしている。したがって、給電装置２の給電コントローラ２５は、受取光強度Ｐｒの低下量に合わせてレーザーダイオード２１の送出光強度Ｐｓを自動で適正に増強することができる。また、給電コントローラ２５は、何らかの原因で受取光強度Ｐｒが増大したときに送出光強度Ｐｓを自動で適正に低減することができる。

さらに、光ファイバーケーブル４の光給電用の第１ファイバー線４１が劣化したときに、光通信用の第２ファイバー線４２も同程度劣化する場合が往々にして発生する。これに対して、第１実施形態では、受電装置３のレーザーダイオード３７の送信光強度Ｑｓを増強するので、確実に光通信を行うことができる。これにより、受取光強度Ｐｒの値を確実に受電装置２に伝送して、送出光強度Ｐｓを適正量だけ増強できる。

一方、送信光強度Ｑｓの増強機能を有さない構成では、光通信用の第２ファイバー線４２が劣化すると、その分だけ光通信性能が低下する。このため、受電装置３で受取光強度Ｐｒの低下を検出できても、この低下情報が受電装置２側に伝送されない場合が生じ得る。この場合、給電コントローラ２５で送出光強度Ｐｓを増強制御するときに、増強量を適正に設定することが極めて難しい。

第１実施形態の光給電型センシングシステム１は、電力をレーザー光に変換して送出するレーザーダイオード２１（給電変換部）、レーザー光の送出光強度Ｐｓを制御する給電コントローラ２５（給電制御部）、ならびに光信号を受信して電気信号に変換するフォトダイオード２２（受信変換部）を有する給電装置２と、レーザー光を受け取って受電電力に変換するフォトダイオード３１（受電変換部）、レーザー光の受取光強度Ｐｒを検出するとともに受取光強度Ｐｒの値が所定閾値Ｐｄｗｎ未満に低下した状態を判定して光強度警報Ａｌｍを発する光強度監視部３２、受電電力によって動作し検出対象の状態に応じた検出信号Ｓｄを出力するセンサ部３４、ならびに受取光強度Ｐｒの値および光強度警報Ａｌｍの少なくとも一方と検出信号Ｓｄとを光信号に変換して送信するレーザーダイオード３７（送信変換部）を有する受電装置３と、給電装置２と受電装置３とを結んでレーザー光および光信号を伝達する光ファイバーケーブル４（光伝達手段）とを備え、給電コントローラ２５（給電制御部）は、電気信号に含まれる受取光強度Ｐｒの値が所定閾値Ｐｄｗｎ未満に低下した場合または電気信号に光強度警報Ａｌｍが含まれる場合にレーザー光の送出光強度Ｐｓを増強し、受電装置３は、光強度警報Ａｌｍが所定時間ｔ２にわたって継続したときに光信号の送信光強度Ｑｓを増強する送信コントローラ３６（送信制御部）をさらに有する。

これによれば、受電装置３の光強度監視部３２は、レーザー光の受取光強度Ｐｒを検出し、その値が低下した状態を判定して光強度警報Ａｌｍを発する。受取光強度Ｐｒの値および光強度警報Ａｌｍの少なくとも一方は、センサ部３４の検出信号Ｄｓとともに光信号に変換されて給電装置２に伝達される。また、受電装置３の送信コントローラ３６は、光強度警報Ａｌｍが所定時間にわたって継続したときに、光信号の送信光強度Ｑｓを増強する。このため、仮に光ファイバーケーブル４で双方向の光伝達特性が低下していても良好な信号伝送性能が確保され、光信号が給電装置２に伝送される。したがって、給電装置２のフォトダイオード２２で光信号を電気信号に変換して、センサ部３４の元の検出信号Ｓｄを確実に得ることができる。さらに、電気信号に含まれる受取光強度Ｐｒの値または光強度警報Ａｌｍに基づいて、給電コントローラ２５はレーザー光の送出光強度Ｐｓを増強するので、受取光強度Ｐｒの低下を補償して良好な給電性能を維持できる。つまり、双方向の光のパワー（送出光強度Ｐｓ、送信光強度Ｑｓ）を増強することにより、センシングおよび光給電の動作信頼性がともに向上する。

また、経年使用によりレーザーダイオード２１やフォトダイオード３１が低下し、あるいは光ファイバーケーブル４の第１ファイバー線４１の光伝達特性が低下して受取光強度Ｐｒの値が低下した場合に、双方向の送出光強度Ｐｓおよび送信光強度Ｑｓを自動で増強するので、光のパワーを調整するメンテナンスが必要となるのは稀である。したがって、メンテナンスサイクルを延長してメンテナンスコストを低減できる。さらには、経年劣化により頻繁なメンテナンスが必要になってシステム１の寿命と判断するケースが減少するので、システム１の長寿命化に資することができる。

さらに、第１実施形態の光給電型センシングシステム１で、送信コントローラ３６は、受取光強度Ｐｓの値が所定閾値Ｐｄｗｎに不足する不足量の大小に応じて光信号の送信光強度Ｑｓの増強量を調整することができる。

これによれば、経年劣化によりレーザー光の受取光強度Ｐｒの不足量が大きいときに、光信号の送信光強度Ｑｓの増強量を大きくできる。このため、仮に光ファイバーケーブル４で双方向の光伝達特性が大きく低下していても、不足量を補償するように光信号の送信光強度Ｑｓを増強でき、光信号は確実に給電装置２に伝達される。したがって、センシングおよび光給電の動作信頼性がともに向上する。

さらに、第１実施形態の光給電型センシングシステム１で、レーザーダイオード３７は、光信号の送信光強度Ｑｓの値を光信号に変換して送信する。

これによれば、給電装置３側で、レーザー光の送出光強度Ｐｓおよび受取光強度Ｐｒ、ならびに光通信用の光信号の送信光強度Ｑｓを把握でき、さらにフォトダイオード２２で光信号の受信光強度を容易に把握できる。つまり、監視員が受電装置３まで赴かずとも給電装置２側で双方向の光伝達特性を定量的に把握して、経年劣化度の評価や劣化発生部位の推定などを行えるので、メンテナンスを効率化できる。

さらに、第１実施形態の光給電型センシングシステム１で、レーザーダイオード２１が送出する光はレーザー光であり、光ファイバーケーブル４は２芯光ファイバーケーブルである。

これによれば、給電用にレーザー光および光ファイバーケーブルの第１ファイバー線４１を用いるので、伝達損失を低減して高い効率で光給電することができる。また、光信号も光ファイバーケーブル４の第２ファイバー線４２で伝達されるので、信号伝送特性が安定する。

次に、第２実施形態の光給電型センシングシステム１Ａについて、第１実施形態と異なる点を主に説明する。図７は、第２実施形態の光給電型センシングシステム１Ａの全体構成を示す構成ブロック図である。第２実施形態で、光ファイバーケーブル４Ａが第１実施形態と異なり、給電装置２および受電装置３の構成は第１実施形態と同じである。

第２実施形態において、光ファイバーケーブルは、１芯の光ファイバー線４３の両端にＷＤＭプリズム４５、４６を有する１芯双方向光ファイバーケーブル４Ａである。ＷＤＭプリズム４５、４６は、Wavelength Division Multiplexing プリズム（波長分割多重プリズム）であり、レーザー光と光信号とを分離する本発明の光分離部に相当する。ＷＤＭプリズム４５、４６が光を分離する原理は、光波長多重通信に用いるＷＤＭ分光器と変わらない。したがって、レーザー光の給電周波数ｆｐと光信号の通信周波数ｆｃとは異なる値とする必要がある。なお、図７に示されたＷＤＭプリズム４５、４６は模式的な形状であり、実形状は異なる。

給電装置２側の給電ＷＤＭプリズム４５は、レーザーダイオード２１から送出されたレーザー光を光ファイバー線４３の一端４３Ｓに導くとともに、光ファイバー線４３の他端４３Ｒから一端４３Ｓに伝達してきた光信号をフォトダイオード２２に導く。受電装置３側の受電ＷＤＭプリズム４６は、光ファイバー線４３の一端４３Ｓから他端４３Ｒに伝達してきたレーザー光をフォトダイオード３１に導くとともに、レーザーダイオード３７から送出された光信号を光ファイバー線４３の他端４３Ｒに導く。

第２実施形態の光給電型センシングシステム１Ａの動作および作用は、第１実施形態と同様であるので、説明は省略する。第２実施形態の光給電型センシングシステム１Ａで、レーザーダイオード２１（給電変換部）が送出する光はレーザー光であり、光伝達手段は、両端にレーザー光と光信号とを分離するＷＤＭプリズム４５、４６（光分離部）を有する１芯双方向光ファイバーケーブル４Ａである。これによれば、光ファイバーケーブルを１芯として細径化でき、材料コストや敷設コストを低減できる。

なお、第１および第２実施形態において、受電装置３から給電装置２への光通信で受取光強度Ｐｒの値を伝送しているが、光強度警報Ａｌｍのみを伝送してもよい。この態様では、給電コントローラ２５は、受信データＤｒに光強度警報Ａｌｍが含まれると、送出光強度Ｐｓを増強する。さらに、光強度監視部２２で、受取光強度Ｐｒの値が所定閾値Ｐｄｗｎに不足する不足量の大小に応じて、複数のランクの光強度警報を選択的に発するようにしてもよい。この態様では、光強度警報のランクに応じて、給電コントローラ２５は送出光強度Ｐｓの増強量を段階的に適正に調整でき、送信コントローラ３６は送信光強度Ｑｓの増強量を段階的に適正に調整できる。

また、光伝達手段は、光ファイバーケーブル４、４Ａに限定されず、光が通過する空間であってもよい。つまり、本発明は、無線光給電および無線光通信を用いた光給電型センシングシステムでも実施できる。本発明は、その他様々な変形や応用が可能である。

１、１Ａ：光給電型センシングシステム
２：給電装置
２１：レーザーダイオード（給電変換部） ２２：フォトダイオード（受信変換部）
２３：受信回路部 ２４：メインコントローラ
２５：給電コントローラ（給電制御部）
３：受電装置
３１：フォトダイオード（受電変換部） ３２：光強度監視部
３３：受電回路部 ３４：センサ部 ３５：送信回路部
３６：送信コントローラ（送信制御部） ３７：レーザーダイオード（送信変換部）
４、４Ａ：光ファイバーケーブル（光伝達手段）
４５：給電ＷＤＭプリズム（光分離部） ４６：受電ＷＤＭプリズム（光分離部）
Ｐｓ：送出光強度 Ｐｒ：受取光強度 Ｑｓ：送信光強度
Ａｌｍ：光強度警報 Ｄｓ：送信データ Ｄｒ：受信データ

Claims (4)

1. 電力を光に変換して送出する給電変換部、前記光の送出光強度を制御する給電制御部、ならびに光信号を受信して電気信号に変換する受信変換部を有する給電装置と、
   前記光を受け取って受電電力に変換する受電変換部、前記光の受取光強度を検出するとともに前記受取光強度の値が所定閾値未満に低下した状態を判定して光強度警報を発する光強度監視部、前記受電電力によって動作し検出対象の状態に応じた検出信号を出力するセンサ部、ならびに前記受取光強度の値および前記光強度警報の少なくとも一方と前記検出信号とを前記光信号に変換して送信する送信変換部を有する受電装置と、
   前記給電装置と前記受電装置とを結んで前記光および前記光信号を伝達する光伝達手段とを備え、
   前記給電制御部は、前記電気信号に含まれる前記受取光強度の値が前記所定閾値未満に低下した場合または前記電気信号に前記光強度警報が含まれる場合に前記光の送出光強度を増強し、
   前記受電装置は、前記光強度警報が所定時間にわたって継続したときに前記光信号の送信光強度を増強する送信制御部をさらに有する光給電型センシングシステム。
2. 請求項１において、前記送信制御部は、前記受取光強度の値が前記所定閾値に不足する不足量の大小に応じて前記光信号の送信光強度の増強量を調整する光給電型センシングシステム。
3. 請求項１または２において、前記送信変換部は、前記光信号の送信光強度の値を前記光信号に変換して送信する光給電型センシングシステム。
4. 請求項１〜３のいずれか一項において、
   前記給電変換部が送出する光はレーザー光であり、
   前記光伝達手段は、２芯光ファイバーケーブル、あるいは、両端に前記レーザー光と前記光信号とを分離する光分離部を有する１芯双方向光ファイバーケーブルである光給電型センシングシステム。

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