JP2003234653A

JP2003234653A - 発振制御装置及び原子発振装置

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Publication number: JP2003234653A
Application number: JP2002030556A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Atami; 健熱海; Hideyuki Matsuura; 秀行松浦; Yoshibumi Nakajima; 義文中島; Yoshito Furuyama; 義人古山
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2002-02-07
Filing date: 2002-02-07
Publication date: 2003-08-22
Also published as: US20030146797A1; US6801091B2

Abstract

(57)【要約】【課題】放電ランプの状態に応じて、励振回路の回路
定数を最適化する。【解決手段】励振回路３１は、原子の励起に放電ラン
プ励起を行う。起動電圧モニタ部３２ａは、励振回路３
１の起動電圧をモニタし、電圧モニタ信号を生成する。
光量モニタ部３２ｂは、放電ランプＬｐの点灯前及び点
灯保持のときの光量を、共鳴信号からモニタし、光量モ
ニタ信号を生成する。バイアス電圧選択部３２ｃは、電
圧モニタ信号と光量モニタ信号にもとづいて、バイアス
電圧を選択し、選択したバイアス電圧を励振回路３１に
印加する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は発振制御装置及び原
子発振装置に関し、特に原子発振の制御を行う発振制御
装置及び原子を励起して発振する原子発振装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】ルビジウム原子発振器は、安定度の高い
ルビジウム原子の共鳴周波数で周波数を安定化させたも
ので、その出力周波数は、ルビジウム原子によって制御
されるため、極めて安定な周波数を得ることができる。
このため、通信網における高精度の周波数発振装置や、
放送局ではＴＶ信号の原振など、幅広い分野で利用され
ている。

【０００３】ルビジウム原子は、ルビジウム原子発振器
内に設置された放電ランプ光により励起される。図１２
は従来の放電ランプ用励振回路の構成を示す図である。
最初に各素子の接続関係について説明する。

【０００４】トランジスタＴｒに対し、コレクタ端子
は、Ｖｉｎと抵抗Ｒ１の一端と接続する。ベース端子
は、抵抗Ｒ１の他端とダイオードＤ１のアノードとコン
デンサＣ１、Ｃ３の一端と接続する。エミッタ端子は、
コンデンサＣ１の他端とコンデンサＣ２の一端と抵抗Ｒ
２の一端と接続する。

【０００５】ダイオードＤ１のカソード、コンデンサＣ
２の他端及び抵抗Ｒ２の他端は、ＧＮＤに接続する。コ
ンデンサＣ３の他端は、コイルＬの一端と接続し、コイ
ルＬの他端は、ＧＮＤに接続する。

【０００６】このような構成の励振回路は、共振素子の
１つであるコイルＬを、ルビジウムを封入したガラス容
器であるセル（以下、ルビジウムランプＬｐと呼ぶ）に
巻きつけ、励振回路の発振周波数（数十Ｍ〜１００ＭＨ
ｚ）によりルビジウムを放電させる。この発振にもとづ
き、ルビジウムランプＬｐから光（以下、ルビジウムラ
ンプ光）が発出する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】励振回路に対しては、
ルビジウムランプＬｐの状態に応じた制御を高品質で行
いつつ、かつ消費電力の低減化及び長寿命化のため、励
振回路に印加される電圧（Ｖｉｎ）は極力低くなるよう
に設計する必要がある。

【０００８】図１３〜図１５はルビジウムランプの状態
に関わる電圧と励振回路のコンデンサ容量との関係を示
す図である。それぞれの図に対し、横軸はコンデンサＣ
１〜Ｃ３の容量値とし、図１３の縦軸には励振回路の起
動電圧、図１４の縦軸にはルビジウムランプＬｐの点灯
電圧、図１５の縦軸にはルビジウムランプＬｐの消灯電
圧をとる。

【０００９】励振回路の電圧Ｖｉｎの値によって、起動
電圧、点灯電圧、消灯電圧となっている。起動電圧は、
励振回路の発振起動時の電圧値（ルビジウムランプＬｐ
起動時の電圧値）であり、点灯電圧は、ルビジウムラン
プＬｐが点灯するに必要な発振状態のときの電圧値であ
る。また、消灯電圧は、ルビジウムランプＬｐが消灯す
るときの電圧値である。

【００１０】ここで、図１３のコンデンサＣ１を示す曲
線Ｗ１を見ると、曲線Ｗ１は右上がりになっている。し
たがって、起動電圧を小さくするためには、コンデンサ
Ｃ１の容量値も小さいものを選択することになる。

【００１１】一方、図１４のコンデンサＣ１の曲線Ｗ１
ａを見ると、曲線Ｗ１ａは右下がりになっているので、
点灯電圧を小さくするためには、コンデンサＣ１の容量
値は大きなものを選択することになる。

【００１２】このように、コンデンサＣ１〜Ｃ３の容量
値に対するそれぞれの特性は、トレードオフの関係にあ
るため、設計時においてはいずれかの特性を優先させた
回路定数に設定せざるをえない。

【００１３】例えば、起動電圧の低下の方を重視して、
コンデンサＣ１の容量値を定めた場合には（コンデンサ
Ｃ１の容量値を小さくとる）、点灯電圧及び消灯電圧が
上昇することになる。

【００１４】するとこの結果、経年変化等の理由でルビ
ジウムランプＬｐが点灯しなくなったり、動作中に消え
る等、致命的な故障が生じる可能性が増大するといった
問題があった。

【００１５】また、点灯電圧特性を犠牲にして定数を設
定した場合には、ルビジウムランプＬｐ点灯開始のトリ
ガとなる高圧パルス(数ｋ〜数十ｋＶ)を発生するパルス
発生回路をあらたに付加しなければならない。

【００１６】ところが、このパルス発生回路には、トリ
ガトランス、コンバータトランス及び大容量のチャージ
用コンデンサ等、大型の部品が必要であるため、近年の
小型化したルビジウム原子発振器に構成することは困難
である。

【００１７】本発明はこのような点に鑑みてなされたも
のであり、放電ランプの状態に応じて、励振回路の回路
定数を最適化する発振制御装置を提供することを目的と
する。

【００１８】また、本発明の他の目的は、放電ランプの
状態に応じて、励振回路の回路定数を最適化し、高精度
で信頼性の高い発振動作を実現した原子発振装置を提供
することである。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明では上記課題を解
決するために、図１に示すような、原子発振の制御を行
う発振制御装置３において、原子の励起に放電ランプ励
起を行う励振回路３１と、励振回路３１の起動電圧をモ
ニタし、電圧モニタ信号を生成する起動電圧モニタ部３
２ａと、放電ランプＬｐの点灯前及び点灯保持のときの
光量を、共鳴信号からモニタし、光量モニタ信号を生成
する光量モニタ部３２ｂと、電圧モニタ信号と光量モニ
タ信号にもとづいて、バイアス電圧を選択し、選択した
バイアス電圧を励振回路３１に印加するバイアス電圧選
択部３２ｃと、から構成され、励振回路３１の回路定数
を調整して最適化する回路定数調整部３２と、を有する
ことを特徴とする発振制御装置３が提供される。

【００２０】ここで、励振回路３１は、原子の励起に放
電ランプ励起を行う。起動電圧モニタ部３２ａは、励振
回路３１の起動電圧をモニタし、電圧モニタ信号を生成
する。光量モニタ部３２ｂは、放電ランプＬｐの点灯前
及び点灯保持のときの光量を、共鳴信号からモニタし、
光量モニタ信号を生成する。バイアス電圧選択部３２ｃ
は、電圧モニタ信号と光量モニタ信号にもとづいて、バ
イアス電圧を選択し、選択したバイアス電圧を励振回路
３１に印加する。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。図１は本発明の発振制御装置の原
理図である。発振制御装置３は、励振回路３１と、回路
定数調整部３２から構成され、原子（ルビジウム原子を
対象にする）を励起して発振する原子発振装置の発振制
御を行う装置である。

【００２２】励振回路３１は、ルビジウム原子の励起に
放電ランプ励起を行う。放電ランプＬｐを以下、ルビジ
ウムランプＬｐと呼ぶ。回路定数調整部３２は、起動電
圧モニタ部３２ａ、光量モニタ部３２ｂ、バイアス電圧
選択部３２ｃから構成され、励振回路３１の回路定数を
調整して最適化する。なお、回路定数とは、ここではル
ビジウムランプＬｐの特性を決めるコンデンサの容量値
のことを指す。

【００２３】起動電圧モニタ部３２ａは、励振回路３１
の起動電圧をモニタし、電圧モニタ信号を生成する。光
量モニタ部３２ｂは、放電ランプの点灯前及び点灯保持
のときの光量を、後述の共鳴信号からモニタし、光量モ
ニタ信号を生成する。

【００２４】バイアス電圧選択部３２ｃは、電圧モニタ
信号と光量モニタ信号にもとづいて、バイアス電圧を選
択し、選択したバイアス電圧を励振回路３１に印加す
る。なお、動作の詳細は後述する。

【００２５】次に発振制御装置３を適用した本発明の原
子発振装置１について説明する。図２は原子発振装置１
の構成を示す図である。原子発振装置１は、電圧制御発
振器（以下、電圧制御水晶発振器であるＶＣＸＯとす
る）１０、周波数合成器２０、原子共鳴器３０、サーボ
回路４０から構成される。原子発振装置１は、放送用基
準源、ディジタル同期網，移動体通信網のクロック源等
に利用される。

【００２６】ＶＣＸＯ１０は、サーボ回路４０から出力
される制御電圧を受けて発振信号を外部へ出力するとと
もに、この発振信号を周波数合成器２０へ送信する。周
波数合成器２０は、発振信号に対して、サーボ回路４０
から出力される低周波信号により位相変調を与え、周波
数合成（逓倍化も含む）により、ルビジウム原子の共鳴
周波数（ルビジウム原子固有の周波数）６．８３４６８
…ＧＨｚのマイクロ波を生成する。

【００２７】原子共鳴器３０は、マイクロ波を受信して
共鳴信号を出力する（図３で後述）。サーボ回路４０
は、低周波信号を生成して周波数合成器２０へ送信し、
また、受信した共鳴信号をこの低周波信号により同期検
波して制御電圧を生成し、ＶＣＸＯ１０へ送信する。

【００２８】図３は原子共鳴器３０の構成を示す図であ
る。原子共鳴器３０は、図１で示した構成要素からなる
発振制御装置３と、共鳴信号出力部３３とから構成され
る。共鳴信号出力部３３は、空胴共振器３３ａ、共鳴セ
ル３３ｂ、光検出器（フォトダイオード）３３ｃ、プリ
アンプ３３ｄから構成される。

【００２９】次に原子共鳴器３０を中心に原子発振装置
１の帰還制御系の動作について説明する。図２で示した
周波数合成器２０から出力されたマイクロ波は、原子共
鳴器３０内の空胴共振器３３ａへ入力される。

【００３０】この空胴共振器３３ａは、ルビジウム原子
の共鳴周波数６．８３４６８ＧＨｚに同調されている。
また、空胴共振器３３ａ内部には、ルビジウム蒸気が封
入された共鳴セル３３ｂが内蔵されている。

【００３１】励振回路３１から発出されたルビジウムラ
ンプ光は、共鳴セル３３ｂ内のルビジウム蒸気に照射さ
れる。すると、ルビジウムランプ光は、ルビジウム蒸気
の中を通り抜け、透過量が光検出器３３ｃで検出され
る。

【００３２】また、入力したマイクロ波の周波数が、ル
ビジウム原子の共鳴周波数と一致したときには、原子共
鳴が起こり、ルビジウム蒸気によるルビジウムランプ光
の吸収量が増大して、光検出器３３ｃの出力が低下する
（検出されるルビジウムランプ光量が減少する）。

【００３３】ここで、マイクロ波は位相変調されてい
る。この位相変調されたマイクロ波と、ルビジウム共鳴
周波数が一致したときに、光検出器３３ｃの出力が最も
低下するのであるから、このときの光検出器３３ｃは、
入力したマイクロ波と同じ信号（マイクロ波周波数とル
ビジウム共鳴周波数との周波数ずれのない信号）を検出
することになる。

【００３４】また、光検出器３３ｃの出力が最も低下す
る以外の場合というのは、マイクロ波の周波数がルビジ
ウム原子固有の周波数を基準にして、正または負のいず
れかにずれていることであり、この場合、光検出器３３
ｃからの信号は、ルビジウム共鳴周波数を中心に位相が
πずれている。

【００３５】このように検出されて、光検出器３３ｃか
ら出力される交流信号は、プリアンプ３３ｄによって増
幅され、共鳴信号として出力される。この共鳴信号は、
サーボ回路４０で、マイクロ波を位相変調したときの低
周波で同期検波され、直流の制御電圧となって出力され
る。また、発振制御装置３へも送信されて、後述の光量
モニタ制御にも使用される。

【００３６】図４は周波数のずれと制御電圧との関係を
説明するための図である。マイクロ波周波数ｆとルビジ
ウム共鳴周波数ｆ０とに対し、ｆ＜ｆ０の場合は正、ｆ
＝ｆ０の場合はゼロ、ｆ０＜ｆの場合は負の制御電圧が
生成される。この制御電圧でＶＣＸＯ１０を制御すれ
ば、水晶発振器の周波数は、常にｆ０に保たれて、ルビ
ジウム共鳴周波数の安定度と同じ周波数安定度を得るこ
とができる。

【００３７】次に発振制御装置３の具体的な構成及び動
作について説明する。図５は第１の実施の形態の発振制
御装置の構成を示す図である。発振制御装置３−１は、
励振回路３１と、起動電圧モニタ部３２ａと、光量モニ
タ部３２ｂと、バイアス電圧選択部３２ｃとから構成さ
れる。

【００３８】最初に各素子の接続関係について説明す
る。トランジスタＴｒに対し、コレクタ端子は、Ｖｉｎ
と抵抗Ｒ１の一端と接続する。ベース端子は、抵抗Ｒ１
の他端とダイオードＤ１のアノードとコンデンサＣ１、
Ｃ３の一端と可変容量ダイオードＣｄ１のカソードと抵
抗Ｒ３の一端と接続する。エミッタ端子は、コンデンサ
Ｃ１の他端とコンデンサＣ２の一端と抵抗Ｒ２の一端と
接続する。ダイオードＤ１のカソード、コンデンサＣ２
の他端及び抵抗Ｒ２の他端は、ＧＮＤに接続する。

【００３９】抵抗Ｒ３の他端は、スイッチＳＷ１〜ＳＷ
３に接続する。コンデンサＣ３の他端は、可変容量ダイ
オードＣｄ１のアノードと抵抗Ｒ４、Ｒ５の一端とコイ
ルＬ（ルビジウムランプＬｐが巻きつけられている）の
一端と接続し、抵抗Ｒ４の他端とコイルＬの他端は、Ｇ
ＮＤに接続する。

【００４０】抵抗Ｒ５の他端は、コンデンサＣ４の一端
と接続し、コンデンサＣ４の他端は、ダイオードＤ２の
カソードとダイオードＤ３のアノードと接続する。ダイ
オードＤ３のカソードは、コンデンサＣ５の一端とコン
パレータＣｏｍｐ１の一方の入力端子に接続する。ダイ
オードＤ２のアノードとコンデンサＣ５の他端はＧＮＤ
に接続する。コンパレータＣｏｍｐ１の他方の入力端子
は、抵抗Ｒ６、Ｒ７の一端と接続し、抵抗Ｒ７の他端は
ＧＮＤに接続する。抵抗Ｒ６の他端は、コンパレータＣ
ｏｍｐ１の出力端子と、ＮＡＮＤ素子ＩＣ１、ＮＯＲ素
子ＩＣ２、ＡＮＤ素子ＩＣ３の一方の入力端子に接続す
る。

【００４１】一方、コンパレータＣｏｍｐ２の一方の入
力端子には、図４で示したプリアンプ３３ｄから出力さ
れる共鳴信号が入力する。コンパレータＣｏｍｐ２の他
方の入力端子は、抵抗Ｒ８、Ｒ９の一端と接続し、抵抗
Ｒ９の他端はＧＮＤに接続する。抵抗Ｒ８の他端は、コ
ンパレータＣｏｍｐ２の出力端子と、ＮＡＮＤ素子ＩＣ
１、ＮＯＲ素子ＩＣ２、ＡＮＤ素子ＩＣ３の他方の入力
端子に接続する。

【００４２】また、ＮＡＮＤ素子ＩＣ１、ＮＯＲ素子Ｉ
Ｃ２、ＡＮＤ素子ＩＣ３からの出力端子は、スイッチＳ
Ｗ１〜ＳＷ３に接続する。バイアス電圧Ｖｃ１〜Ｖｃ３
は、スイッチＳＷ１〜ＳＷ３にそれぞれ入力し、スイッ
チングされた１つのバイアス電圧が抵抗Ｒ３を介して印
加される。

【００４３】ここで、励振回路３１内のトランジスタＴ
ｒ周辺の発振回路は、コンデンサＣ１、Ｃ２とコイルＬ
によるＬＣ同調発振型のコルピッツ発振回路になってい
る。発振周波数ｆ１は、ｆ１≒１／２π（Ｌ・Ｃ１・Ｃ
２／（Ｃ１＋Ｃ２））^1/2である。

【００４４】また、発振に関わるコンデンサＣ１、Ｃ２
と、コレクタとベースの直流電圧を分離するためのコン
デンサＣ３とのそれぞれの容量値は、ルビジウムランプ
Ｌｐの特性を決めるものとなる。

【００４５】なお、コンデンサＣ３について説明する
と、トランジスタＴｒの利得が大きい場合、コレクタ−
ベース間の分布キャパシタンスによってコレクタ側の電
圧がベース側へ帰還され、入力を与えなくても出力信号
がでてくる発振現象を生じてしまう。このことを防止す
るためにコンデンサＣ３を図に示す位置に設けている。

【００４６】次に動作について説明する。起動電圧モニ
タ部３２ａは、励振回路３１が発振（起動）すると、ダ
イオードＤ２、Ｄ３の整流動作により直流電圧が発生す
る。コンパレータＣｏｍｐ１は、この直流電圧に対し、
励振回路３１が発振する前はＬレベル電圧を、発振後は
Ｈレベル電圧を電圧モニタ信号として出力する。

【００４７】また、図３で示したプリアンプ３３ｄから
の共鳴信号は、光量モニタ部３２ｂへ入力され、コンパ
レータＣｏｍｐ２により、ルビジウムランプＬｐの消灯
時はＬレベル電圧が、点灯時はＨレベル電圧が、光量モ
ニタ信号として出力される。

【００４８】そして、電圧モニタ信号と光量モニタ信号
は、バイアス電圧選択部３２ｃ内の各論理素子ＩＣ１〜
ＩＣ３に入力される。スイッチＳＷ１〜ＳＷ３は、これ
ら論理素子ＩＣ１〜ＩＣ３により制御されてスイッチン
グする。

【００４９】一方、励振回路３１には、コンデンサＣ３
（第１のコンデンサ）と並列に、与えられた電圧により
容量値が可変する可変容量ダイオード（カソード側に
（＋）、アノード側に（−）の電圧をかけて使う（電流
は流れない）とコンデンサとなり、その容量はかける電
圧によって変化する素子である）Ｃｄ１が挿入されてい
る。この可変容量ダイオードＣｄ１に対し、スイッチＳ
Ｗ１〜ＳＷ３で選択されたバイアス電圧Ｖｃ１〜Ｖｃ３
のいずれかが印加される。

【００５０】図６はバイアス電圧選択テーブルを示す図
である。バイアス電圧選択テーブルＴは、テーブル項目
として、電圧モニタ信号、光量モニタ信号、スイッチＳ
Ｗ１〜ＳＷ３、バイアス電圧からなる。

【００５１】ここで、電圧モニタ信号がＬ、光量モニタ
信号がＬのときは、ルビジウムランプＬｐの起動前（励
振回路３１の発振起動前）を示しており、このときスイ
ッチＳＷ１〜ＳＷ３はそれぞれＯＮ、ＯＦＦ、ＯＦＦと
なり、あらかじめ値が設定されているバイアス電圧Ｖｃ
１が選択される。

【００５２】電圧モニタ信号がＨ、光量モニタ信号がＬ
のときは、ルビジウムランプＬｐの点灯前を示してお
り、このときスイッチＳＷ１〜ＳＷ３はそれぞれＯＦ
Ｆ、ＯＮ、ＯＦＦとなり、あらかじめ値が設定されてい
るバイアス電圧Ｖｃ２が選択される。

【００５３】電圧モニタ信号がＨ、光量モニタ信号がＨ
のときは、ルビジウムランプＬｐの点灯保持を示してお
り、このときスイッチＳＷ１〜ＳＷ３はそれぞれＯＦ
Ｆ、ＯＦＦ、ＯＮとなり、あらかじめ値が設定されてい
るバイアス電圧Ｖｃ３が選択される。

【００５４】なお、バイアス電圧Ｖｃ１〜Ｖｃ３は、コ
ンデンサＣ３と可変容量ダイオードＣｄ１との合成容量
値を、ルビジウムランプＬｐの状態（起動前、点灯前、
点灯保持）に応じて最適となるように、あらかじめ値が
設定された電圧である。

【００５５】このような構成により、励振回路３１の回
路定数は、起動電圧モニタ部３２ａと光量モニタ部３２
ｂから出力されるそれぞれのモニタ信号を通じて、ルビ
ジウムランプＬｐの状態に応じて最適化されるので、原
子発振装置１を長期間にわたって、高い信頼性で動作さ
せることが可能になる。また、従来技術で説明したよう
に大型の部品を使用せずに、わずかな論理素子とディス
クリート素子を用いて構成できるので小型化を阻害する
ことがない。

【００５６】次に第２の実施の形態の発振制御装置につ
いて説明する。図７は第２の実施の形態の発振制御装置
の構成を示す図である。ただし、起動電圧モニタ部３２
ａと光量モニタ部３２ｂは、第１の実施の形態の発振制
御装置３−１と同じなので、図中省略してある。

【００５７】最初に発振制御装置３−２の各素子の接続
関係について説明する。トランジスタＴｒに対し、コレ
クタ端子は、Ｖｉｎと抵抗Ｒ１の一端と接続する。ベー
ス端子は、抵抗Ｒ１の他端とダイオードＤ１のアノード
とコンデンサＣ１、Ｃ３の一端と可変容量ダイオードＣ
ｄ１のカソードと抵抗Ｒ３の一端と可変容量ダイオード
Ｃｄ２のカソードと抵抗Ｒ１０の一端と接続する。エミ
ッタ端子は、コンデンサＣ１の他端とコンデンサＣ２の
一端と抵抗Ｒ２の一端と可変容量ダイオードＣｄ２のア
ノードと抵抗Ｒ１１の一端と接続する。

【００５８】ダイオードＤ１のカソード、コンデンサＣ
２の他端及び抵抗Ｒ２、Ｒ１１の他端は、ＧＮＤに接続
する。コンデンサＣ３の他端は、可変容量ダイオードＣ
ｄ１のアノードと抵抗Ｒ４、Ｒ５の一端とコイルＬ（ル
ビジウムランプＬｐが巻きつけられている）の一端と接
続し、抵抗Ｒ４の他端とコイルＬの他端は、ＧＮＤに接
続する。抵抗Ｒ５の他端は、起動電圧モニタ部３２ａに
接続する。

【００５９】また、電圧モニタ信号は、ＮＡＮＤ素子Ｉ
Ｃ１、ＮＯＲ素子ＩＣ２、ＡＮＤ素子ＩＣ３の一方の入
力端子に接続する。光量モニタ信号は、ＮＡＮＤ素子Ｉ
Ｃ１、ＮＯＲ素子ＩＣ２、ＡＮＤ素子ＩＣ３の他方の入
力端子に接続する。

【００６０】ＮＡＮＤ素子ＩＣ１の出力端子は、スイッ
チＳＷ１、ＳＷ１１と接続し、ＮＯＲ素子ＩＣ２の出力
端子は、スイッチＳＷ２、ＳＷ１２と接続し、ＡＮＤ素
子ＩＣ３の出力端子は、スイッチＳＷ３、ＳＷ１３と接
続する。

【００６１】バイアス電圧Ｖｃ１〜Ｖｃ３は、スイッチ
ＳＷ１〜ＳＷ３にそれぞれ入力し、スイッチングされた
１つのバイアス電圧が抵抗Ｒ３を介して印加される。ま
た、バイアス電圧Ｖｃ１１〜Ｖｃ１３は、スイッチＳＷ
１１〜ＳＷ１３にそれぞれ入力し、スイッチングされた
１つのバイアス電圧が抵抗Ｒ１０を介して印加される。

【００６２】このように発振制御装置３−２では、図５
で示した発振制御装置３−１に対してさらに、発振周波
数を決定する要素になるコンデンサの１つであるコンデ
ンサＣ１（第２のコンデンサ）と並列に可変容量ダイオ
ードＣｄ２を設置し、かつ、このためのスイッチＳＷ１
１〜ＳＷ１３とバイアス電圧Ｖｃ１１〜Ｖｃ１３を設け
ている。このように、励振回路３１の複数の回路定数を
可変設定することにより、動作信頼性をさらに向上させ
ることができる。

【００６３】次に第３の実施の形態の発振制御装置につ
いて説明する。図８は第３の実施の形態の発振制御装置
の構成を示す図である。ただし、起動電圧モニタ部３２
ａと光量モニタ部３２ｂは、第１の実施の形態の発振制
御装置３−１と同じなので、図中省略してある。また、
各ディスクリート素子の接続関係も上述したので省略す
る。

【００６４】発振制御装置３−３は、マイコン部３４、
ＤＡコンバータ３５をあらたに含む。マイコン部３４に
は、ルビジウムランプＬｐの起動前，点灯前，点灯保持
の各状態で、回路定数が最適となるバイアス電圧のディ
ジタル値を、電圧モニタ信号及び光量モニタ信号に応じ
て出力するようにプログラミングしておく。

【００６５】そして、マイコン部３４からのディジタル
出力を、ディジタル／アナログ変換を行うＤＡコンバー
タ３５で直流電圧に変換して、可変容量ダイオードＣｄ
１にバイアス電圧として印加する構成をとっている。こ
のような構成により、第１の実施の形態と同等の効果を
得ることができる。

【００６６】次に起動電圧モニタ部３２ａの変形例につ
いて図９、１０を用いて説明する。図９は起動電圧モニ
タ部の変形例の構成を示す図である。起動電圧モニタ部
３２ａ―１の各素子の接続関係について（励振回路３１
の素子接続関係は省く）、抵抗Ｒ１２の一端は、Ｖｉｎ
と計測アンプＡｍｐ１の一方の入力端子と接続し、抵抗
Ｒ１２の他端は、励振回路３１内の抵抗Ｒ１の一端と計
測アンプＡｍｐ１の他方の入力端子と接続する。

【００６７】計測アンプＡｍｐ１の出力端子は、抵抗Ｒ
１３の一端と接続し、抵抗Ｒ１３の他端はコンパレータ
Ｃｏｍｐ３の一方の入力端子と接続する。抵抗Ｒ１４の
一端はＶｉｎと接続し、抵抗Ｒ１４の他端は、抵抗Ｒ１
５の一端とコンパレータＣｏｍｐ３の他方の入力端子と
接続する。抵抗Ｒ１５の他端はＧＮＤに接続する。

【００６８】図１０は励振回路３１の消費電流と電源電
圧との関係を示す図である。縦軸に消費電流、横軸に電
源電圧Ｖｉｎをとる。図からわかるように、励振回路３
１の消費電流は、電源電圧Ｖｉｎに対して、発振起動電
圧の前後で急激に変化する。

【００６９】したがって、この消費電流の変化を、電流
検出回路である計測アンプＡｍｐ１で検出し、そのとき
の電圧値と、抵抗分割した電圧値とをコンパレータＣｏ
ｍｐ３で比較して、発振起動電圧の前後でＨまたはＬレ
ベル電圧となる信号になるように変換すれば、起動電圧
モニタ部３２ａと同等の機能を実現することができる。

【００７０】次にバイアス電圧を発生するバイアス電圧
発生部について説明する。図１１はバイアス電圧発生部
の構成を示す図である。最初にバイアス電圧発生部３６
の各素子の接続関係について説明する。

【００７１】レギュレータ３６ａの入力端子は、Ｖｉｎ
とコンデンサＣ２１の一端が接続し、コンデンサＣ２１
の他端は、ＧＮＤに接続する。レギュレータ３６ａの出
力端子は、抵抗Ｒ２１の一端と感温素子（サーミスタ
等）ＴＨの一端とコンデンサＣ２３の一端と接続する。
レギュレータ３６ａのＧＮＤ端子は、コンデンサＣ２２
の一端と抵抗Ｒ２１の他端と抵抗Ｒ２２の一端と感温素
子ＴＨの他端と接続する。コンデンサＣ２２、Ｃ２３、
抵抗Ｒ２２の他端はＧＮＤに接続する。

【００７２】ここで、励振回路３１の最適な回路定数は
環境温度により、変化することが考えられる。したがっ
て、感温素子を設けたバイアス電圧発生部３６によっ
て、温度変化に対応して、バイアス電圧を柔軟に設定し
て、可変容量ダイオードＣｄに印加する電圧Ｖｃも変化
させることで、より高精度に回路定数を設定することが
可能になる。なお、バイアス電圧発生部３６は、通常、
供給すべきバイアス電圧の数分、設けられることにな
る。

【００７３】以上説明したように、本発明によれば、ル
ビジウムランプＬｐの起動前、点灯前、点灯保持といっ
た３つの状態に応じて、励振回路３１の回路定数が最適
値に可変できるので、ルビジウムランプＬｐの動作信頼
性が向上し、小型の構成でかつ長期間に渡って信頼性の
高い発振動作を保証することが可能になる。

【００７４】（付記１）原子発振の制御を行う発振制
御装置において、原子の励起に放電ランプ励起を行う励
振回路と、前記励振回路の起動電圧をモニタし、電圧モ
ニタ信号を生成する起動電圧モニタ部と、前記放電ラン
プの点灯前及び点灯保持のときの光量を、共鳴信号から
モニタし、光量モニタ信号を生成する光量モニタ部と、
前記電圧モニタ信号と前記光量モニタ信号にもとづい
て、バイアス電圧を選択し、選択したバイアス電圧を前
記励振回路に印加するバイアス電圧選択部と、から構成
され、前記励振回路の回路定数を調整して最適化する回
路定数調整部と、を有することを特徴とする発振制御装
置。

【００７５】（付記２）前記励振回路の前記放電ラン
プの特性を決めるコンデンサに並列に可変容量ダイオー
ドを設置し、前記回路定数調整部は、選択されたバイア
ス電圧を、前記可変容量ダイオードに印加することで、
前記コンデンサと前記可変容量ダイオードとの合成容量
値を調整して、回路定数の最適化を行うことを特徴とす
る付記１記載の発振制御装置。

【００７６】（付記３）前記励振回路は、ＬＣ同調発
振を行う回路であって、トランジスタのコレクタとベー
スの直流電圧を分離させるための第１のコンデンサ、ま
たは発振周波数を決定する要素になる第２のコンデンサ
の少なくとも一方に対して、並列に可変容量ダイオード
を設置し、前記回路定数調整部は、選択されたバイアス
電圧を、前記可変容量ダイオードに印加することで、前
記第１のコンデンサと前記可変容量ダイオードとの合成
容量値、または前記第２のコンデンサと前記可変容量ダ
イオードとの合成容量値の少なくとも一方を調整して、
回路定数の最適化を行うことを特徴とする付記２記載の
発振制御装置。

【００７７】（付記４）前記回路定数調整部は、前記
電圧モニタ信号と前記光量モニタ信号に応じて、前記バ
イアス電圧のディジタル値を出力するようにプログラミ
ングされたマイコン部と、前記マイコン部からのディジ
タル出力をアナログ信号に変換して前記励振回路に印加
するＤＡコンバータと、を有することを特徴とする付記
１記載の発振制御装置。

【００７８】（付記５）前記起動電圧モニタ部は、前
記励振回路からの発振信号を直流に変えて前記起動電圧
をモニタする場合、または電流検出回路を用いて前記励
振回路の消費電流から前記起動電圧をモニタする場合の
いずれかを行うことを特徴とする付記１記載の発振制御
装置。

【００７９】（付記６）感温素子を持ち、周囲温度の
変化に対応してバイアス電圧を発生する、温度補償を兼
ねたバイアス電圧発生部を有することを特徴とする付記
１記載の発振制御装置。

【００８０】（付記７）原子を励起して発振する原子
発振装置において、制御電圧を受けて発振信号を出力す
る電圧制御発振器と、前記発振信号に低周波信号で位相
変調を与え、周波数合成し、マイクロ波を生成する周波
数合成器と、原子の励起に放電ランプ励起を行う励振回
路と、前記励振回路の起動電圧をモニタし、電圧モニタ
信号を生成する起動電圧モニタ部、前記放電ランプの点
灯前及び点灯保持のときの光量を、共鳴信号からモニタ
し、光量モニタ信号を生成する光量モニタ部、前記電圧
モニタ信号と前記光量モニタ信号にもとづいて、バイア
ス電圧を選択し、選択したバイアス電圧を前記励振回路
に印加するバイアス電圧選択部、を含み前記励振回路の
回路定数を調整して最適化する回路定数調整部と、前記
マイクロ波と原子共鳴周波数との周波数差の状態に応じ
て変化する放電ランプ光量にもとづく前記共鳴信号を出
力する共鳴信号出力部と、から構成される原子共鳴器
と、前記低周波信号と、前記共鳴信号を同期検波して生
成した前記制御電圧と、を出力するサーボ回路と、を有
することを特徴とする原子発振装置。

【００８１】（付記８）前記励振回路の前記放電ラン
プの特性を決めるコンデンサに並列に可変容量ダイオー
ドを設置し、前記回路定数調整部は、選択されたバイア
ス電圧を、前記可変容量ダイオードに印加することで、
前記コンデンサと前記可変容量ダイオードとの合成容量
値を調整して、回路定数の最適化を行うことを特徴とす
る付記７記載の原子発振装置。

【００８２】（付記９）前記励振回路は、ＬＣ同調発
振を行う回路であって、トランジスタのコレクタとベー
スの直流電圧を分離させるための第１のコンデンサ、ま
たは発振周波数を決定する要素になる第２のコンデンサ
の少なくとも一方に対して、並列に可変容量ダイオード
を設置し、前記回路定数調整部は、選択されたバイアス
電圧を、前記可変容量ダイオードに印加することで、前
記第１のコンデンサと前記可変容量ダイオードとの合成
容量値、または前記第２のコンデンサと前記可変容量ダ
イオードとの合成容量値の少なくとも一方を調整して、
回路定数の最適化を行うことを特徴とする付記８記載の
原子発振装置。

【００８３】（付記１０）前記回路定数調整部は、前
記電圧モニタ信号と前記光量モニタ信号に応じて、前記
バイアス電圧のディジタル値を出力するようにプログラ
ミングされたマイコン部と、前記マイコン部からのディ
ジタル出力をアナログ信号に変換して前記励振回路に印
加するＤＡコンバータと、を有することを特徴とする付
記７記載の原子発振装置。

【００８４】（付記１１）前記起動電圧モニタ部は、
前記励振回路からの発振信号を直流に変えて前記起動電
圧をモニタする場合、または電流検出回路を用いて前記
励振回路の消費電流から前記起動電圧をモニタする場合
のいずれかを行うことを特徴とする付記７記載の原子発
振装置。

【００８５】（付記１２）感温素子を持ち、周囲温度
の変化に対応してバイアス電圧を発生する、温度補償を
兼ねたバイアス電圧発生部を有することを特徴とする付
記７記載の原子発振装置。

【００８６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の発振制御
装置は、励振回路の起動電圧をモニタし、放電ランプの
点灯前及び点灯保持のときの光量を共鳴信号からモニタ
して、モニタ結果からバイアス電圧を選択し、励振回路
に印加する構成とした。これにより、放電ランプの状態
に応じて、励振回路の回路定数を最適化することが可能
になる。

【００８７】また、本発明の原子発振装置は、励振回路
の起動電圧をモニタし、放電ランプの点灯前及び点灯保
持のときの光量を共鳴信号からモニタして、モニタ結果
からバイアス電圧を選択し、励振回路に印加する構成と
した。これにより、放電ランプの状態に応じて、励振回
路の回路定数を最適化でき、高精度で信頼性の高い発振
動作を行うことが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の発振装置の原理図である。

【図２】原子発振装置の構成を示す図である。

【図３】原子共鳴器の構成を示す図である。

【図４】周波数のずれと制御電圧との関係を説明するた
めの図である。

【図５】第１の実施の形態の発振制御装置の構成を示す
図である。

【図６】バイアス電圧選択テーブルを示す図である。

【図７】第２の実施の形態の発振制御装置の構成を示す
図である。

【図８】第３の実施の形態の発振制御装置の構成を示す
図である。

【図９】起動電圧モニタ部の変形例の構成を示す図であ
る。

【図１０】励振回路の消費電流と電源電圧との関係を示
す図である。

【図１１】バイアス電圧発生部の構成を示す図である。

【図１２】従来の放電ランプ用励振回路の構成を示す図
である。

【図１３】ルビジウムランプの状態に関わる電圧と励振
回路のコンデンサ容量との関係を示す図である。

【図１４】ルビジウムランプの状態に関わる電圧と励振
回路のコンデンサ容量との関係を示す図である。

【図１５】ルビジウムランプの状態に関わる電圧と励振
回路のコンデンサ容量との関係を示す図である。

【符号の説明】

３発振制御装置３１励振回路３２回路定数調整部３２ａ起動電圧モニタ部３２ｂ光量モニタ部３２ｃバイアス電圧選択部Ｌｐルビジウムランプ

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１４年１１月１５日（２００２．１１．
１５）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３８

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３８】最初に各素子の接続関係について説明す
る。トランジスタＴｒに対し、コレクタ端子は、Ｖｉｎ
と抵抗Ｒ１の一端と接続する。ベース端子は、抵抗Ｒ１
の他端とダイオードＤ１のアノードとコンデンサＣ１、
Ｃ３１の一端と接続する。可変容量ダイオードＣｄ１の
カソードは抵抗Ｒ３の一端とコンデンサＣ３１の他端と
コンデンサＣ３の一端と接続する。エミッタ端子は、コ
ンデンサＣ１の他端とコンデンサＣ２の一端と抵抗Ｒ２
の一端と接続する。ダイオードＤ１のカソード、コンデ
ンサＣ２の他端及び抵抗Ｒ２の他端は、ＧＮＤに接続す
る。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４０

【補正方法】変更

【補正内容】

【００４０】抵抗Ｒ５の他端は、コンデンサＣ４の一端
と接続し、コンデンサＣ４の他端は、ダイオードＤ２の
カソードとダイオードＤ３のアノードと接続する。ダイ
オードＤ３のカソードは、コンデンサＣ５の一端とコン
パレータＣｏｍｐ１の一方の入力端子（＋）に接続す
る。ダイオードＤ２のアノードとコンデンサＣ５の他端
はＧＮＤに接続する。コンパレータＣｏｍｐ１の他方の
入力端子（−）は、抵抗Ｒ６、Ｒ７の一端と接続し、抵
抗Ｒ７の他端はＧＮＤに接続する。抵抗Ｒ６の他端は電
圧Ｖａと接続する。コンパレータＣｏｍｐ１の出力端子
は、ＮＯＲ素子ＩＣ１、ＥＯＲ素子ＩＣ２、ＡＮＤ素子
ＩＣ３の一方の入力端子に接続する。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００４１】一方、コンパレータＣｏｍｐ２の一方の入
力端子（＋）には、図４で示したプリアンプ３３ｄから
出力される共鳴信号が入力する。コンパレータＣｏｍｐ
２の他方の入力端子（−）は、抵抗Ｒ８、Ｒ９の一端と
接続し、抵抗Ｒ９の他端はＧＮＤに接続する。抵抗Ｒ８
の他端は電圧Ｖａと接続する。コンパレータＣｏｍｐ２
の出力端子は、ＮＯＲ素子ＩＣ１、ＥＯＲ素子ＩＣ２、
ＡＮＤ素子ＩＣ３の他方の入力端子に接続する。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４２

【補正方法】変更

【補正内容】

【００４２】また、ＮＯＲ素子ＩＣ１、ＥＯＲ素子ＩＣ
２、ＡＮＤ素子ＩＣ３からの出力端子は、スイッチＳＷ
１〜ＳＷ３に接続する。バイアス電圧Ｖｃ１〜Ｖｃ３
は、スイッチＳＷ１〜ＳＷ３にそれぞれ入力し、スイッ
チングされた１つのバイアス電圧が抵抗Ｒ３を介して印
加される。

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００５７

【補正方法】変更

【補正内容】

【００５７】最初に発振制御装置３−２の各素子の接続
関係について説明する。トランジスタＴｒに対し、コレ
クタ端子は、Ｖｉｎと抵抗Ｒ１の一端と接続する。ベー
ス端子は、抵抗Ｒ１の他端とダイオードＤ１のアノード
とコンデンサＣ１、Ｃ３１の一端と可変容量ダイオード
Ｃｄ２のカソードと抵抗Ｒ１０の一端と接続する。抵抗
Ｒ３の一端は可変容量ダイオードＣｄ１のカソードとコ
ンデンサＣ３１の他端とコンデンサＣ３の一端と接続す
る。エミッタ端子は、コンデンサＣ１の他端とコンデン
サＣ２の一端と抵抗Ｒ２の一端とコンデンサＣ３２の一
端と可変容量ダイオードＣｄ２のアノードは、抵抗Ｒ１
１の一端とコンデンサＣ３２の他端と接続する。

【手続補正６】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００５９

【補正方法】変更

【補正内容】

【００５９】また、電圧モニタ信号は、ＮＯＲ素子ＩＣ
１、ＥＯＲ素子ＩＣ２、ＡＮＤ素子ＩＣ３の一方の入力
端子に接続する。光量モニタ信号は、ＮＯＲ素子ＩＣ
１、ＥＯＲ素子ＩＣ２、ＡＮＤ素子ＩＣ３の他方の入力
端子に接続する。

【手続補正７】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００６０

【補正方法】変更

【補正内容】

【００６０】ＮＯＲ素子ＩＣ１の出力端子は、スイッチ
ＳＷ１、ＳＷ１１と接続し、ＥＯＲ素子ＩＣ２の出力端
子は、スイッチＳＷ２、ＳＷ１２と接続し、ＡＮＤ素子
ＩＣ３の出力端子は、スイッチＳＷ３、ＳＷ１３と接続
する。

【手続補正８】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図５

【補正方法】変更

【補正内容】

【図５】

【手続補正９】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図７

【補正方法】変更

【補正内容】

【図７】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者松浦秀行北海道札幌市北区北七条西四丁目３番地１富士通東日本ディジタル・テクノロジ株式会社内 (72)発明者中島義文北海道札幌市北区北七条西四丁目３番地１富士通東日本ディジタル・テクノロジ株式会社内 (72)発明者古山義人神奈川県川崎市中原区上小田中４丁目１番１号富士通株式会社内Ｆターム(参考） 5J106 AA01 CC09 EE03 EE04 GG00 GG17 KK05 KK12

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】原子発振の制御を行う発振制御装置にお
いて、原子の励起に放電ランプ励起を行う励振回路と、前記励振回路の起動電圧をモニタし、電圧モニタ信号を
生成する起動電圧モニタ部と、前記放電ランプの点灯前
及び点灯保持のときの光量を、共鳴信号からモニタし、
光量モニタ信号を生成する光量モニタ部と、前記電圧モ
ニタ信号と前記光量モニタ信号にもとづいて、バイアス
電圧を選択し、選択したバイアス電圧を前記励振回路に
印加するバイアス電圧選択部と、から構成され、前記励
振回路の回路定数を調整して最適化する回路定数調整部
と、を有することを特徴とする発振制御装置。
【請求項２】前記励振回路の前記放電ランプの特性を
決めるコンデンサに並列に可変容量ダイオードを設置
し、前記回路定数調整部は、選択されたバイアス電圧
を、前記可変容量ダイオードに印加することで、前記コ
ンデンサと前記可変容量ダイオードとの合成容量値を調
整して、回路定数の最適化を行うことを特徴とする請求
項１記載の発振制御装置。
【請求項３】前記回路定数調整部は、前記電圧モニタ
信号と前記光量モニタ信号に応じて、前記バイアス電圧
のディジタル値を出力するようにプログラミングされた
マイコン部と、前記マイコン部からのディジタル出力を
アナログ信号に変換して前記励振回路に印加するＤＡコ
ンバータと、を有することを特徴とする請求項１記載の
発振制御装置。
【請求項４】前記起動電圧モニタ部は、前記励振回路
からの発振信号を直流に変えて前記起動電圧をモニタす
る場合、または電流検出回路を用いて前記励振回路の消
費電流から前記起動電圧をモニタする場合のいずれかを
行うことを特徴とする請求項１記載の発振制御装置。
【請求項５】原子を励起して発振する原子発振装置に
おいて、制御電圧を受けて発振信号を出力する電圧制御発振器
と、前記発振信号に低周波信号で位相変調を与え、周波数合
成し、マイクロ波を生成する周波数合成器と、原子の励起に放電ランプ励起を行う励振回路と、前記励
振回路の起動電圧をモニタし、電圧モニタ信号を生成す
る起動電圧モニタ部、前記放電ランプの点灯前及び点灯
保持のときの光量を、共鳴信号からモニタし、光量モニ
タ信号を生成する光量モニタ部、前記電圧モニタ信号と
前記光量モニタ信号にもとづいて、バイアス電圧を選択
し、選択したバイアス電圧を前記励振回路に印加するバ
イアス電圧選択部、を含み前記励振回路の回路定数を調
整して最適化する回路定数調整部と、前記マイクロ波と
原子共鳴周波数との周波数差の状態に応じて変化する放
電ランプ光量にもとづく前記共鳴信号を出力する共鳴信
号出力部と、から構成される原子共鳴器と、前記低周波信号と、前記共鳴信号を同期検波して生成し
た前記制御電圧と、を出力するサーボ回路と、を有することを特徴とする原子発振装置。