特許 7473326 原子発振器及び周波数信号生成システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-04-15

(45)【発行日】2024-04-23

(54)【発明の名称】原子発振器及び周波数信号生成システム

(51)【国際特許分類】

   H03L 7/26 20060101AFI20240416BHJP

   G04G 3/00 20060101ALN20240416BHJP

   H01S 1/06 20060101ALN20240416BHJP

【ＦＩ】

H03L7/26

G04G3/00 A

G04G3/00 Z

H01S1/06

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2019216436

(22)【出願日】2019-11-29

(65)【公開番号】P2021087165

(43)【公開日】2021-06-03

【審査請求日】2022-10-24

(73)【特許権者】

【識別番号】397050741

【氏名又は名称】マイクロチップ テクノロジー インコーポレイテッド

【氏名又は名称原語表記】ＭＩＣＲＯＣＨＩＰ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＥＤ

(74)【代理人】

【識別番号】100137095

【弁理士】

【氏名又は名称】江部 武史

(74)【代理人】

【識別番号】100173691

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 康久

(74)【代理人】

【識別番号】100091627

【弁理士】

【氏名又は名称】朝比 一夫

(72)【発明者】

【氏名】橋 幸弘

(72)【発明者】

【氏名】牧 義之

(72)【発明者】

【氏名】長坂 公夫

(72)【発明者】

【氏名】橋本 泰治

(72)【発明者】

【氏名】土屋 泰

(72)【発明者】

【氏名】米澤 岳美

(72)【発明者】

【氏名】上野 仁

(72)【発明者】

【氏名】林 暢仁

(72)【発明者】

【氏名】田村 智博

(72)【発明者】

【氏名】菅 貴宏

【審査官】▲高▼橋 徳浩

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１０－２４５８０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１１９４４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１２２５９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０８７８６５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０４Ｇ ３／００

Ｈ０１Ｓ １／０６

Ｈ０３Ｌ１／００－Ｈ０３Ｌ９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

発光素子と、
気体のセシウムが収容され、前記発光素子からの光がＸ軸に沿って入射する面を有する第１部分と、
液体又は固体のセシウムが収容される第２部分と
前記第１部分と前記第２部分とを接続し、前記Ｘ軸と直交するＹ軸に沿って対向する２つの壁部を有する第３部分と、を有し、
前記第３部分において、前記２つの壁部の間の距離が、前記Ｙ軸に沿って前記第１部分から前記第２部分へ向かって一定の比率で減少し、
アルゴン及び窒素からなり、前記アルゴンのモル分率が６４．１％であるバッファガスが収容される原子セルと、
前記第１部分を加熱するヒーターと、
前記原子セルの前記発光素子とは反対側に配置される光検出素子と、
前記光検出素子よりも前記ヒーター及び前記面に近い位置に配置され、前記ヒーターの温度制御に用いられる温度検出素子と、を含む、原子発振器。

【請求項2】

前記光検出素子に接続される配線を有する、請求項１に記載の原子発振器。

【請求項3】

前記配線を搭載するプリント基板を有する、請求項２に記載の原子発振器。

【請求項4】

前記第１部分と前記ヒーターとの間に配置される第１部材と、
前記第１部材に対して前記第２部分側に配置され、前記第１部材と離間している第２部材と、を有する、請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の原子発振器。

【請求項5】

前記バッファガスの圧力は、１３．３ｋＰａ以上１８．６ｋＰａ以下である、請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の原子発振器。

【請求項6】

原子発振器と、
前記原子発振器からの周波数信号を処理する処理部と、を備え、
前記原子発振器は、
発光素子と、
気体のセシウムが収容され、前記発光素子からの光がＸ軸に沿って入射する面を有する第１部分と、
液体又は固体のセシウムが収容される第２部分と、
前記第１部分と前記第２部分とを接続し、前記Ｘ軸と直交するＹ軸に沿って対向する２つの壁部を有する第３部分と、を有し、
前記第３部分において、前記２つの壁部の間の距離が、前記Ｙ軸に沿って前記第１部分から前記第２部分へ向かって一定の比率で減少し、
アルゴン及び窒素からなり、前記アルゴンのモル分率が６４．１％であるバッファガス が収容される原子セルと、
前記第１部分を加熱するヒーターと、
前記原子セルの前記発光素子とは反対側に配置される光検出素子と、
前記光検出素子よりも前記ヒーター及び前記面に近い位置に配置され、前記ヒーターの温度制御に用いられる温度検出素子と、を含む、周波数信号生成システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、原子発振器及び周波数信号生成システムに関する。

【背景技術】

【0002】

長期的に高精度な発振特性を有する発振器として、ルビジウム、セシウム等のアルカリ金属原子のエネルギー遷移に基づいて発振する原子発振器が知られている。
例えば特許文献１では、ガスセルの小型化を図るために、アルカリ金属原子と緩衝ガスとをガスセル内に封入している。緩衝ガスは、窒素とアルゴンとの混合ガスで、混合ガスにおけるアルゴンガスのモル分率を１５％以上４０％以下とすることで、小型化した場合に、優れた温度特性を有する原子発振器が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１５－１１９４４３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１に記載の原子発振器は、ガスセルが外部環境の温度変化の影響を受けると、ガスセル内部の温度勾配が変化し、緩衝ガスの密度分布が変化する。そのため、アルカリ金属原子と緩衝ガス分子の衝突頻度が変化し、原子発振器の発振周波数が変化するという虞があった。

【課題を解決するための手段】

【0005】

原子発振器は、発光素子と、気体のセシウムが収容され、前記発光素子からの光がＸ軸に沿って入射する面を有する第１部分と、液体又は固体のセシウムが収容される第２部分と、前記第１部分と前記第２部分とを接続し、前記Ｘ軸と直交するＹ軸に沿って対向する２つの壁部を有する第３部分と、を有し、前記第３部分において、前記２つの壁部の間の距離が、前記Ｙ軸に沿って前記第１部分から前記第２部分へ向かって一定の比率で減少し、アルゴン及び窒素からなり、前記アルゴンのモル分率が６４．１％であるバッファガスが収容される原子セルと、前記第１部分を加熱するヒーターと、前記原子セルの前記発光素子とは反対側に配置される光検出素子と、前記光検出素子よりも前記ヒーター及び前記面に近い位置に配置され、前記ヒーターの温度制御に用いられる温度検出素子と、を含む。

【0006】

周波数信号生成システムは、原子発振器と、前記原子発振器からの周波数信号を処理する処理部と、を備え、前記原子発振器は、発光素子と、気体のセシウムが収容され、前記発光素子からの光がＸ軸に沿って入射する面を有する第１部分と、液体又は固体のセシウムが収容される第２部分と、前記第１部分と前記第２部分とを接続し、前記Ｘ軸と直交するＹ軸に沿って対向する２つの壁部を有する第３部分と、を有し、前記第３部分において、前記２つの壁部の間の距離が、前記Ｙ軸に沿って前記第１部分から前記第２部分へ向かって一定の比率で減少し、アルゴン及び窒素からなり、前記アルゴンのモル分率が６４．１％であるバッファガスが収容される原子セルと、前記第１部分を加熱するヒーターと、前記原子セルの前記発光素子とは反対側に配置される光検出素子と、前記光検出素子よりも前記ヒーター及び前記面に近い位置に配置され、前記ヒーターの温度制御に用いられる温度検出素子と、を含む。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】実施形態に係る原子発振器を示す概略図。

【図2】原子発振器を模式的に示すＸＺ平面に沿った断面図。

【図3】原子発振器を模式的に示すＸＹ平面に沿った断面図。

【図4】原子発振器の原子セルを模式的に示すＸＹ平面に沿った断面図。

【図5】図４のＡ－Ａ線での断面図。

【図6】アルゴン及び窒素からなるバッファガスのアルゴンのモル分率と周波数変化率との関係を示すグラフ。

【図7】光検出素子の実装状態を模式的に示す平面図。

【図8】実施形態に係る周波数信号生成システムを示す概略構成図。

【発明を実施するための形態】

【0008】

１．原子発振器
先ず、本実施形態に係る原子発振器１０について、図１を参照しながら説明する。

【0009】

原子発振器１０は、アルカリ金属原子に対して特定の異なる波長の２つの共鳴光を同時に照射したときに当該２つの共鳴光がアルカリ金属原子に吸収されずに透過する現象が生じる量子干渉効果（ＣＰＴ：Coherent Population Trapping）を利用した原子発振器である。なお、この量子干渉効果による現象は、電磁誘起透明化（ＥＩＴ：Electromagnetically Induced Transparency）現象とも言う。また、本実施形態に係る原子発振器１０は、光及びマイクロ波による二重共鳴現象を利用した原子発振器であってもよい。

【0010】

原子発振器１０は、図１に示すように、光源ユニット１００と、光学系ユニット２００と、原子セルユニット３００と、光源ユニット１００及び原子セルユニット３００を制御する制御ユニット５００と、を含む。

【0011】

光源ユニット１００は、ペルチェ素子１１０と、発光素子１２０と、温度センサー１３０と、を有している。

【0012】

発光素子１２０は、周波数の異なる２種の光を含んでいる直線偏光の光ＬＬを光軸ＬＡに沿った方向に出射する。発光素子１２０は、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）などである。温度センサー１３０は、発光素子１２０の温度を検出する。温度センサー１３０は、例えば、サーミスタ、熱電対等である。ペルチェ素子１１０は、発光素子１２０の温度を、例えば、２５℃以上３５℃以下の温度に制御する。

【0013】

光学系ユニット２００は、光源ユニット１００と原子セルユニット３００との間に配置されている。光学系ユニット２００は、減光フィルター２１０と、レンズ２２０と、１／４波長板２３０と、を有している。

【0014】

減光フィルター２１０は、発光素子１２０から出射された光ＬＬの強度を減少させる。レンズ２２０は、光ＬＬの放射角度を調整する。具体的には、レンズ２２０は、光ＬＬを平行光にする。１／４波長板２３０は、光ＬＬに含まれる周波数の異なる２種の光を、直線偏光から円偏光に変換する。

【0015】

原子セルユニット３００は、原子セル３１０と、光検出素子３２０と、ヒーターユニット３８０と、温度検出素子３２２と、コイル３２４と、を有している。

【0016】

原子セル３１０は、発光素子１２０から出射される光ＬＬを透過させる。原子セル３１０には、アルカリ金属原子であるセシウムと、アルゴン及び窒素からなるバッファガスと、が収容されている。セシウムは、互いに異なる２つの基底準位と励起準位とからなる３準位系のエネルギー準位を有する。原子セル３１０には、発光素子１２０から出射された光ＬＬが減光フィルター２１０、レンズ２２０、及び１／４波長板２３０を介して入射する。また、原子発振器１０では、アルゴン及び窒素からなるバッファガスを用いることにより、アルカリ金属原子同士の相互作用、及び、アルカリ金属原子が原子セル３１０の内壁へ衝突することによるアルカリ金属原子の状態変化を抑制し、周波数特性を改善している。

【0017】

光検出素子３２０は、原子セル３１０を通過した光ＬＬを受光し検出する。光検出素子３２０は、例えば、フォトダイオードである。

【0018】

ヒーターユニット３８０は、原子セル３１０を、例えば、６０℃以上７５℃以下の温度に制御する。ヒーターユニット３８０は、原子セル３１０に収容されたアルカリ金属原子を加熱し、アルカリ金属原子の少なくとも一部をガス状態にする。

【0019】

温度検出素子３２２は、原子セル３１０の温度を検出する。温度検出素子３２２は、例えば、サーミスタ、熱電対等である。
コイル３２４は、原子セル３１０に収容されたアルカリ金属原子に所定方向の磁場を印加し、アルカリ金属原子のエネルギー準位をゼーマン分裂させる。

【0020】

アルカリ金属原子がゼーマン分裂した状態において、円偏光した共鳴光対がアルカリ金属原子に照射されると、アルカリ金属原子がゼーマン分裂した複数の準位のうち、所望のエネルギー準位のアルカリ金属原子の数が他のエネルギー準位のアルカリ金属原子の数に対して相対的に多くなる。そのため、所望のＥＩＴ現象を発現する原子数が増大し、所望のＥＩＴ信号が大きくなる。その結果、原子発振器１０の発振特性を向上させることができる。

【0021】

制御ユニット５００は、温度制御回路５１０と、光源制御回路５２０と、磁場制御回路５３０と、温度制御回路５４０と、を有している。

【0022】

温度制御回路５１０は、温度検出素子３２２の検出結果に基づいて、原子セル３１０の内部が所望の温度となるように、ヒーターユニット３８０への通電を制御する。磁場制御回路５３０は、コイル３２４が発生する磁場が一定となるように、コイル３２４への通電を制御する。温度制御回路５４０は、温度センサー１３０の検出結果に基づいて、発光素子１２０の温度が所望の温度となるように、ペルチェ素子１１０への通電を制御する。

【0023】

光源制御回路５２０は、光検出素子３２０の検出結果に基づいて、ＥＩＴ現象が生じるように、発光素子１２０から出射された光ＬＬに含まれる２種の光の周波数を制御する。ここで、これら２種の光が原子セル３１０に収容されたアルカリ金属原子の２つの基底準位間のエネルギー差に相当する周波数差の共鳴光対となったとき、ＥＩＴ現象が生じる。光源制御回路５２０は、２種の光の周波数の制御に同期して安定化するように発振周波数が制御される電圧制御型発振器（図示せず）を備えており、この電圧制御型発振器（ＶＣＯ：Voltage Controlled Oscillator）の出力信号を原子発振器１０の出力信号、すなわちクロック信号Ｃｌｋとして出力する。

【0024】

次に、原子発振器１０の具体的な構成について、図２～図７を参照して説明する。なお、図２～図５、及び図７では、互いに直交する３軸として、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸を図示している。Ｘ軸は、発光素子１２０と光検出素子３２０とを結ぶ線分に沿う軸であり、発光素子１２０から出射された光ＬＬは、光軸ＬＡであるＸ軸に沿って進む。Ｙ軸は、後述する原子セル３１０の第１部分３１２と第２部分３１４とが並ぶ軸である。

【0025】

原子発振器１０は、図２及び図３に示すように、光源ユニット１００と、光学系ユニット２００と、原子セルユニット３００と、支持部材４００と、制御ユニット５００と、外容器６００と、を含む。

【0026】

光源ユニット１００は、支持部材４００に配置されている。光源ユニット１００は、ペルチェ素子１１０と、発光素子１２０と、温度センサー１３０と、これらを収容している光源容器１４０と、光源容器１４０が配置される光源基板１５０と、を有している。光源基板１５０は、例えば、図示しないネジによって支持部材４００に固定されている。ペルチェ素子１１０、発光素子１２０、及び温度センサー１３０は、制御ユニット５００と電気的に接続されている。

【0027】

光学系ユニット２００は、支持部材４００に配置されている。光学系ユニット２００は、減光フィルター２１０と、レンズ２２０と、１／４波長板２３０と、これらを保持しているホルダー２４０と、を有している。ホルダー２４０は、例えば、図示しないネジによって支持部材４００に固定されている。

【0028】

ホルダー２４０には、貫通孔２５０が設けられている。貫通孔２５０は、光ＬＬの通過領域である。貫通孔２５０には、減光フィルター２１０、レンズ２２０、及び１／４波長板２３０が光源ユニット１００側からこの順で配置されている。

【0029】

原子セルユニット３００は、原子セル３１０と、光検出素子３２０と、第１部材３３０と、第２部材３３２と、第１原子セル容器３４０と、第２原子セル容器３７０と、ヒーターユニット３８０と、ペルチェ素子３９０と、を含む。

【0030】

原子セル３１０には、セシウムと、アルゴン及び窒素からなるバッファガスと、が収容されている。

【0031】

原子セル３１０には、発光素子１２０から出射された光ＬＬが入射する。原子セル３１０の壁部の材質は、例えば、ガラスなどである。原子セル３１０の内部空間Ｓは、図４及び図５に示すように、第１部分３１２と、第２部分３１４と、第３部分３１６と、を含む。

【0032】

原子セル３１０の内部空間Ｓを規定する内面は、－Ｙ軸側の内面３１０Ａ及び＋Ｙ軸側の内面３１０Ｂが円弧状をなしている。また、これらの円弧を接続する＋Ｚ軸側の内面３１０Ｃ及び－Ｚ軸側の内面３１０Ｄは、直線状をなしており、それぞれ、Ｙ軸に対して傾斜している。そのため、原子セル３１０の内部空間Ｓは、第１部分３１２に含まれる領域、第２部分３１４に含まれる領域、及び第３部分３１６に含まれる領域、の３つに分けることができる。

【0033】

第１部分３１２は、例えば、気体のアルカリ金属原子が充満しており、光ＬＬが通過する部分であり、内面３１０Ａを含む。また、第１部分３１２は、第１部材３３０を介してヒーター３８１によって加熱される部分である。第１部分３１２に含まれる内部空間Ｓの領域は、内面３１０Ａと、内面３１０Ａの円弧から同じ曲率の仮想円弧Ｆ１と、で囲まれる円の内側の領域である。なお、第１部分３１２は、光ＬＬが入射する面３１１の一部を含む。

【0034】

第２部分３１４は、液体又は固体のアルカリ金属原子を収容する部分である。また、第２部分３１４は、第２部材３３２によって放熱、すなわち、冷却される部分である。なお、第２部分３１４は、一部が第２部材３３２に覆われている。一部が第２部材３３２に覆われていれば、その部分の温度が原子セル３１０の中で最も低くなるので、液体又は固体のアルカリ金属原子を当該部分に集めることができる。第２部分３１４に含まれる内部空間Ｓの領域は、内面３１０Ｂと、内面３１０Ｂの円弧から同じ曲率の仮想円弧Ｆ２と、で囲まれる円の内側の領域である。

【0035】

第３部分３１６は、第１部分３１２と第２部分３１４との間に位置し、これらを接続する部分であり、Ｙ軸に沿って対向する２つの壁部としての内面３１０Ｃ，３１０Ｄを有し、内面３１０Ｃ，３１０Ｄの間の距離が、Ｙ軸に沿って第１部分３１２から第２部分３１４へ向かって一定の比率で減少している。この第３部分３１６は、第１部分３１２のアルカリ金属原子の余剰分が第２部分３１４に向かって移動する際に通過する部分である。第３部分３１６は、仮想円弧Ｆ１、仮想円弧Ｆ２、内面３１０Ｃ、及び内面３１０Ｄに囲まれた領域である。なお、内面３１０Ｃ，３１０Ｄの間の距離の減少率は、５％／ｍｍ以上５０％／ｍｍ以下であるのが好ましい。これにより、アルカリ金属原子を第２部分３１４に移動し易くすることができる。

【0036】

ここで、原子セル３１０に収容されているバッファガスのアルゴンのモル分率と周波数変化率との関係を、図６を参照して説明する。
図６において、横軸は、バッファガスのアルゴンのモル分率を示し、縦軸は、環境温度１℃当たりの原子発振器１０の周波数変化率（ΔＦ／Ｆ）／℃を示している。実測値からの近似直線Ｃ１は、温度検出素子３２２が原子セル３１０の近傍に配置され、光検出素子３２０に近い位置に配置されている場合の特性である。また、実測値からの近似直線Ｃ２は、図３に示すように、温度検出素子３２２が原子セル３１０の近傍に配置され、光検出素子３２０よりもヒーター３８１又は原子セル３１０の光ＬＬが入射する面３１１に近い位置に配置されている場合の特性である。つまり、近似直線Ｃ２は、本実施形態の特性である。

【0037】

温度検出素子３２２が光検出素子３２０に近い位置に配置されている場合の近似直線Ｃ１は、バッファガスのアルゴンのモル分率が変化しても周波数変化率が略一定で６．０Ｅ－１１／℃である。これに対し、本実施形態の温度検出素子３２２が面３１１に近い位置に配置されている場合の近似直線Ｃ２は、バッファガスのアルゴンのモル分率が大きくなるに従い、周波数変化率がプラスからマイナスに変化し、アルゴンのモル分率６４．１％において、周波数変化率が０となる。従って、バッファガスのアルゴンのモル分率を６４．１％とすることで、環境温度変化に対する周波数変化率を最小にすることができる。

【0038】

なお、上記のアルゴンのモル分率は、誤差を許容するものとする。誤差は小さいことが好ましいが、例えば以下の範囲であれば許容できる。アルゴンのモル分率を６４．１％±１．５％とすると、周波数変化率は±１．０Ｅ－１１／℃以下となり、アルゴンのモル分率を６４．１％±３．０％とすると、周波数変化率は±２．０Ｅ－１１／℃以下となり、アルゴンのモル分率を６４．１％±４．５％とすると、周波数変化率は±３．０Ｅ－１１／℃以下となる。

【0039】

原子セル３１０にアルカリ金属原子と共に収容されているバッファガスの圧力は、１３．３ｋＰａ以上１８．６ｋＰａ以下に設定されている。バッファガスの圧力が１３．３ｋＰａより小さいと、ＥＩＴ信号の線幅が大きくなる傾向を示し、バッファガスの圧力が１８．６ｋＰａより大きいとＥＩＴ信号の強度が小さくなる傾向を示すので、バッファガスの圧力を１３．３ｋＰａ以上１８．６ｋＰａ以下とすることで、安定した発振特性を実現することができる。
また、バッファガスは、窒素ガスと反対の温度特性を有するアルゴンガスを含んでいるので、互いに温度特性を相殺することができる。そのため、優れた温度特性を実現することができる。

【0040】

光検出素子３２０は、原子セル３１０の発光素子１２０側とは反対側に配置されている。図示の例では、光検出素子３２０は、第１原子セル容器３４０に配置されている。光検出素子３２０は、図７に示すように、プリント基板３２１に搭載され、プリント基板３２１に設けられた配線３２３と電気的に接続されている。そのため、光検出素子３２０の熱の少なくとも一部は、配線３２３やプリント基板３２１を介して放熱される。また、配線３２３は、図示はしない配線が設けられたフレキシブル基板を介して光源制御回路５２０と電気的に接続されている。従って、光検出素子３２０の熱は、フレキシブル基板を介して更に放熱される。原子セル３１０の光検出素子３２０近傍の温度は、従って、光検出素子３２０から遠い部分の温度と比較して、配線３２３やプリント基板３２１を介した放熱によって変動し易い。

【0041】

第１部材３３０は、第１原子セル容器３４０内において、原子セル３１０を保持している。第１部材３３０は、第１部分３１２とヒーター３８１との間に配置され、例えば、第１部分３１２を規定する原子セル３１０の壁部に接していている。図示の例では、第１部材３３０は、ネジ３３１によって、第１原子セル容器３４０に固定されている。第１部材３３０は、ヒーターユニット３８０の熱を、第１部分３１２のアルカリ金属原子に伝える。そのため、第１部分３１２に気体のアルカリ金属原子を収容することができる。第１部材３３０の材質は、例えば、アルミニウム、チタン、銅、真鍮などである。

【0042】

第１部材３３０には、貫通孔３３０ａ，３３０ｂが設けられている。発光素子１２０から出射された光ＬＬは、貫通孔３３０ａを通って原子セル３１０に入射する。原子セル３１０を透過した光ＬＬは、貫通孔３３０ｂを通って光検出素子３２０に入射する。貫通孔３３０ａ，３３０ｂには、光ＬＬを透過させる部材が配置されていてもよい。

【0043】

第２部材３３２は、第１原子セル容器３４０内において、原子セル３１０を保持している。第２部材３３２は、第２部分３１４側に配置され、例えば、第２部分３１４を規定する原子セル３１０の壁部に接している。図示の例では、第２部材３３２は、ネジ３３３によって、第１原子セル容器３４０に固定されている。第２部材３３２は、例えば、第２部分３１４の熱を、ペルチェ素子３９０に伝える。第２部材３３２は、第１部材３３０と離間して設けられている。これにより、第２部分３１４を、第１部分３１２よりも低温となるように調整することができ、第２部分３１４に液体又は固体のアルカリ金属原子を収容することができる。第２部材３３２の材質は、例えば、第１部材３３０と同じである。なお、第１部材３３０及び第２部材３３２は、直接原子セル３１０に接していても、熱伝導性の接着剤等を介して原子セル３１０に接していてもよい。

【0044】

第１原子セル容器３４０は、原子セル３１０、光検出素子３２０、第１部材３３０、及び第２部材３３２を収容している。第１原子セル容器３４０は、支持部材４００に配置されている。第１原子セル容器３４０は、略直方体の外形形状を有している。第１原子セル容器３４０の材質は、例えば、鉄、ケイ素鉄、パーマロイ、スーパーマロイ、センダスト、銅などである。このような材料を用いることにより、第１原子セル容器３４０は、外部からの磁気を遮蔽することができる。これにより、外部からの磁気によって原子セル３１０内のアルカリ金属原子が影響を受けることを抑え、原子発振器１０の発振特性の安定化を図ることができる。

【0045】

第１原子セル容器３４０には、貫通孔３４０ａが設けられている。発光素子１２０から出射された光ＬＬは、貫通孔３４０ａを通って原子セル３１０に入射する。貫通孔３４０ａには、光ＬＬを透過させる部材が設けられていてもよい。

【0046】

第２原子セル容器３７０は、第１原子セル容器３４０を収容し、支持部材４００に固定されている。第２原子セル容器３７０の材質は、例えば、第１原子セル容器３４０と同じである。第２原子セル容器３７０は、外部からの磁気を遮蔽することができる。

【0047】

第２原子セル容器３７０には、貫通孔３７０ａが設けられている。発光素子１２０から出射された光ＬＬは、貫通孔３７０ａを通って原子セル３１０に入射する。貫通孔３７０ａには、光ＬＬを透過させる部材が設けられていてもよい。

【0048】

ヒーターユニット３８０は、第１原子セル容器３４０に接し、ネジなどで第２原子セル容器３７０に固定されている。ヒーターユニット３８０は、ヒーター３８１と、ヒーター容器３８２と、断熱部材３８５と、を有している。

【0049】

ヒーター容器３８２は、ヒーター蓋部３８３と、ヒーター基部３８４と、を有し、ヒーター３８１と、断熱部材３８５と、を収容している。ヒーター容器３８２の材質は、例えば、第１原子セル容器３４０と同じである。ヒーター容器３８２は、ヒーター３８１が生じる磁気を遮蔽することができる。

【0050】

ヒーター３８１は、ヒーター容器３８２に収容された状態で、第１原子セル容器３４０の外表面に配置されている。ヒーター３８１は、原子セル３１０の第１部分３１２のアルカリ金属原子を所定の温度になるように加熱する。ヒーター３８１は、例えば、発熱抵抗体などである。なお、ヒーター３８１として、発熱抵抗体に代えて、あるいは発熱抵抗体と併用して、ペルチェ素子を用いてもよい。

【0051】

温度検出素子３２２は、原子セル３１０の近傍に配置され、光検出素子３２０よりもヒーター３８１及び原子セル３１０の光ＬＬが入射する面３１１に近い位置に配置されている。つまり、温度検出素子３２２と面３１１との距離、及び、温度検出素子３２２とヒーター３８１との距離は、温度検出素子３２２と光検出素子３２０との距離よりも小さい。熱を放熱する光検出素子３２０から離れた位置に温度検出素子３２２を配置することで、放熱による温度変化を検出し難くなるので、原子セル３１０の第１部分３１２の温度、より厳密にはヒーター３８１の加熱による原子セル３１０の第１部分３１２の温度を高精度で検出することができる。その結果、ヒーター３８１の温度制御が放熱による温度変化の影響を受け難くなるので、第１部分３１２の温度を安定に温度制御することができる。また、面３１１に近い位置に温度検出素子３２２を配置することで、面３１１の温度を安定に制御し易い。面３１１の温度が変化すると、面３１１にセシウムが付着するなどして、原子セル３１０に入射する光ＬＬの強度が変化し、原子発振器１０の発振周波数が変化する虞がある。面３１１の温度を安定させることで、原子発振器１０の発振周波数の変動を低減することができる。さらに、図示はしないが、温度検出素子３２２を、Ｚ軸またはＹ軸に沿った平面視で光軸ＬＡと重なる位置に配置すると、光ＬＬ及び気体のセシウムの原子セル３１０で最も状態が安定している部分の温度をさらに安定させることができるので、原子発振器１０の発振特性をさらに安定させることができる。

【0052】

また、コイル３２４は、図２及び図３では図示していないが、例えば、原子セル３１０の外周に沿って巻回して設けられているソレノイド型のコイル、または、原子セル３１０を介して対向するヘルムホルツ型の１対のコイルである。コイル３２４は、原子セル３１０の内部に光ＬＬの光軸ＬＡに沿った方向の磁場を発生させる。これにより、原子セル３１０に収容されたアルカリ金属原子の縮退している異なるエネルギー準位間のギャップをゼーマン分裂により拡げて、分解能を向上させ、ＥＩＴ信号の線幅を小さくすることができる。

【0053】

また、図示はしないが、ヒーター３８１に電力を外部から供給するための配線を備えるフレキシブル基板が、断熱部材３８５のヒーター３８１側とは反対側に配置されていてもよい。これにより、ヒーター３８１の熱がフレキシブル基板に伝わることを抑えることができ、ヒーター３８１の熱を、効率よく原子セル３１０に伝えることができる。

【0054】

ペルチェ素子３９０は、図２に示すように、第２原子セル容器３７０に配置されている。図示の例では、ペルチェ素子３９０は、第２原子セル容器３７０の＋Ｚ軸方向側の外表面に配置されている。ペルチェ素子３９０は、例えば、第２原子セル容器３７０から外容器６００の外蓋部６２０に熱を移動させるように、温度制御回路５１０によって制御される。

【0055】

ペルチェ素子３９０と、外容器６００の外蓋部６２０と、の間には伝熱部材３９２が配置されている。伝熱部材３９２の熱伝導率は、例えば、外蓋部６２０の熱伝導率よりも高い。伝熱部材３９２は、例えば、板状、シート状である。伝熱部材３９２の材質は、例えば、アルミニウム、チタン、銅、または、放熱性の高いシリコーンである。伝熱部材３９２は、ペルチェ素子３９０の放熱面から放出される熱を、外蓋部６２０に伝える。

【0056】

支持部材４００は、図２に示すように、外容器６００の外基部６１０に片持ちで固定されている。支持部材４００は、例えば、外基部６１０の台座部６１１に、図３に示すように、２つのネジによって固定されている。支持部材４００は、固定端４０２と、自由端４０４と、を含む。支持部材４００の材質は、例えば、アルミニウム、銅であってもよく、また、支持部材４００は、例えば、炭素繊維を用いたカーボンシートであってもよい。

【0057】

支持部材４００には、図２及び図３に示すように、光源ユニット１００と、光学系ユニット２００と、原子セルユニット３００とが配置されている。

【0058】

支持部材４００の固定端４０２側に、光源ユニット１００が配置されている。光源ユニット１００は、光源容器１４０が貫通孔４２２に位置するように、例えば、図示しないネジによって、光源支持部４２０の－Ｘ軸方向側の面に固定されている。図示の例では、発光素子１２０は、光源容器１４０及び光源基板１５０を介して、支持部材４００の固定端４０２側に配置されている。光学系ユニット２００は、例えば、図示しないネジによって、光源支持部４２０の＋Ｘ軸方向側の面に固定されている。

【0059】

支持部材４００の自由端４０４側に、原子セルユニット３００が配置されている。原子セルユニット３００は、Ｚ軸方向からみて、貫通孔４１２と重なるように、自由端４０４側に配置されている。図示の例では、原子セルユニット３００は、ネジによって、原子セル支持部４１０に固定されている。

【0060】

このように、支持部材４００が外基部６１０に片持ちで固定されていることにより、例えば支持部材４００の熱膨張率と外基部６１０の熱膨張率との差に起因する応力によって支持部材４００が変形することを抑えることができる。

【0061】

制御ユニット５００は、図２に示すように、回路基板５０２を有している。回路基板５０２は、複数のリードピン５０４を介して、外基部６１０に固定されている。回路基板５０２は、図示しないＩＣ（Integrated Circuit）チップが配置されており、ＩＣチップは、温度制御回路５１０、光源制御回路５２０、磁場制御回路５３０、及び温度制御回路５４０として機能する。ＩＣチップは、光源ユニット１００及び原子セルユニット３００と電気的に接続されている。回路基板５０２には、支持部材４００が挿通されている貫通孔５０３が設けられている。

【0062】

外容器６００は、光源ユニット１００、光学系ユニット２００、原子セルユニット３００、支持部材４００、及び制御ユニット５００を収容している。外容器６００は、外基部６１０と、外基部６１０とは別体の外蓋部６２０と、を有している。外容器６００の材質は、例えば、第１原子セル容器３４０と同じである。そのため、外容器６００は、外部からの磁気を遮蔽することができ、外部からの磁気によって原子セル３１０内のアルカリ金属原子が影響を受けることを抑えることができる。

【0063】

本実施形態の原子発振器１０は、原子セル３１０の内部空間Ｓが第１部分３１２と、第２部分３１４と、第３部分３１６と、を有し、第３部分３１６の第１部分３１２と第２部分３１４とを接続する２つの壁部の間の距離が、第１部分３１２から第２部分３１４に向かって一定の比率で減少している構造である。第１部分３１２の体積と比較して、第３部分３１６の体積が小さいため、第１部分３１２の体積と第３部分３１６の体積とが同じである場合と比較して、冷却による温度変化の影響を受けるアルカリ金属原子及びバッファガスの量が少ない。従って、原子セル３１０が外部環境の温度変化の影響を受けても、第３部分３１６に存在する気体のアルカリ金属原子及びバッファガスの密度変化が第１部分３１２のアルカリ金属原子の密度変化に及ぼす影響を小さくできるので、温度変化による原子発振器１０の発振周波数の変化を低減することができる。

【0064】

また、ヒーター３８１の温度制御に用いられる温度検出素子３２２を光ＬＬが入射する面３１１に近い位置に配置することで、熱を放熱する光検出素子３２０から離すことができるので、原子セル３１０の第１部分３１２の温度を高精度で検出でき、第１部分３１２を安定に温度制御することができる。

【0065】

また、バッファガスのアルゴンのモル分率を６４．１％とすることで、上述した内部空間Ｓを有する構造の原子セル３１０において、環境温度変化に対する原子発振器１０の周波数変化率を最小にすることができる。

【0066】

２．周波数信号生成システム
次に、本実施形態に係る原子発振器１０を備える周波数信号生成システムについて、図８を参照して説明する。以下のクロック伝送システム（タイミングサーバー）９０は、周波数信号生成システムの一例である。

【0067】

クロック伝送システム９０は、時分割多重方式のネットワーク内の各装置のクロックを一致させるものであって、Ｎ（Normal）系及びＥ（Emergency）系の冗長構成を有するシステムである。

【0068】

クロック伝送システム９０は、図８に示すように、Ａ局が有する上位であり、Ｎ系のクロック供給装置９０１及びＳＤＨ（Synchronous Digital Hierarchy）装置９０２と、Ｂ局が有する上位であり、Ｅ系のクロック供給装置９０３及びＳＤＨ装置９０４と、Ｃ局が有する下位のクロック供給装置９０５及びＳＤＨ装置９０６，９０７と、を備える。クロック供給装置９０１は、原子発振器１０を有し、Ｎ系のクロック信号を生成する。クロック供給装置９０１内の原子発振器１０は、セシウムを用いた原子発振器を含むマスタークロック９０８，９０９からのより高精度なクロック信号と同期して、クロック信号を生成する。

【0069】

ＳＤＨ装置９０２は、クロック供給装置９０１からのクロック信号に基づいて、主信号の送受信を行うとともに、Ｎ系のクロック信号を主信号に重畳し、下位のクロック供給装置９０５に伝送する。クロック供給装置９０３は、原子発振器１０を有し、Ｅ系のクロック信号を生成する。クロック供給装置９０３内の原子発振器１０は、セシウムを用いた原子発振器を含むマスタークロック９０８，９０９からのより高精度なクロック信号と同期して、クロック信号を生成する。なお、クロック供給装置９０１，９０３は、原子発振器１０からの周波数信号を処理する処理部に相当する。

【0070】

ＳＤＨ装置９０４は、クロック供給装置９０３からのクロック信号に基づいて、主信号の送受信を行うとともに、Ｅ系のクロック信号を主信号に重畳し、下位のクロック供給装置９０５に伝送する。クロック供給装置９０５は、クロック供給装置９０１，９０３からのクロック信号を受信し、その受信したクロック信号に同期して、クロック信号を生成する。

【0071】

クロック供給装置９０５は、通常、クロック供給装置９０１からのＮ系のクロック信号に同期して、クロック信号を生成する。そして、Ｎ系に異常が発生した場合、クロック供給装置９０５は、クロック供給装置９０３からのＥ系のクロック信号に同期して、クロック信号を生成する。このようにＮ系からＥ系に切り換えることにより、安定したクロック供給を担保し、クロックパス網の信頼性を高めることができる。ＳＤＨ装置９０６は、クロック供給装置９０５からのクロック信号に基づいて、主信号の送受信を行う。同様に、ＳＤＨ装置９０７は、クロック供給装置９０５からのクロック信号に基づいて、主信号の送受信を行う。これにより、Ｃ局の装置をＡ局又はＢ局の装置と同期させることができる。

【0072】

本実施形態に係る周波数信号生成システムは、クロック伝送システム９０に限定されない。周波数信号生成システムは、原子発振器１０が搭載され、原子発振器１０の周波数信号を利用する各種の装置及び複数の装置から構成されるシステムを含む。

【0073】

本実施形態に係る周波数信号生成システムは、例えば、スマートフォン、タブレット端末、時計、携帯電話機、デジタルスチルカメラ、インクジェットプリンター等の液体吐出装置、パーソナルコンピューター、テレビ、ビデオカメラ、ビデオテープレコーダー、カーナビゲーション装置、ページャー、電子手帳、電子辞書、電卓、電子ゲーム機器、ワードプロセッサー、ワークステーション、テレビ電話、防犯用テレビモニター、電子双眼鏡、ＰＯＳ（point of sales）端末、電子体温計、血圧計、血糖計、心電図計測装置、超音波診断装置、電子内視鏡、心磁計等の医療機器、魚群探知機、ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）周波数標準器、各種測定機器、自動車、航空機、船舶の計器類等の計器類、フライトシミュレーター、地上デジタル放送システム、携帯電話基地局、自動車、航空機、船舶等の移動体であってもよい。

【符号の説明】

【0074】

１０…原子発振器、９０…周波数信号生成システムとしてのクロック伝送システム、１００…光源ユニット、１１０…ペルチェ素子、１２０…発光素子、１３０…温度センサー、１４０…光源容器、１５０…光源基板、２００…光学系ユニット、２１０…減光フィルター、２２０…レンズ、２３０…１／４波長板、２４０…ホルダー、２５０…貫通孔、３００…原子セルユニット、３１０…原子セル、３１０Ａ，３１０Ｂ，３１０Ｃ，３１０Ｄ…内面、３１１…面、３１２…第１部分、３１４…第２部分、３１６…第３部分、３２０…光検出素子、３２１…プリント基板、３２２…温度検出素子、３２３…配線、３２４…コイル、３３０…第１部材、３３０ａ，３３０ｂ…貫通孔、３３１…ネジ、３３２…第２部材、３３３…ネジ、３４０…第１原子セル容器、３４０ａ…貫通孔、３７０…第２原子セル容器、３７０ａ…貫通孔、３８０…ヒーターユニット、３８１…ヒーター、３８２…ヒーター容器、３８３…ヒーター蓋部、３８４…ヒーター基部、３８５…断熱部材、３９０…ペルチェ素子、３９２…伝熱部材、４００…支持部材、４０２…固定端、４０４…自由端、４１０…原子セル支持部、４１２…貫通孔、４２０…光源支持部、４２２…貫通孔、５００…制御ユニット、５０２…回路基板、５０３…貫通孔、５０４…リードピン、５１０…温度制御回路、５２０…光源制御回路、５３０…磁場制御回路、５４０…温度制御回路、６００…外容器、６１０…外基部、６１１…台座部、６２０…外蓋部、Ｃ１，Ｃ２…近似直線、Ｆ１，Ｆ２…仮想円弧、ＬＡ…光軸、ＬＬ…光、Ｓ…内部空間。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】