JP2006210967A - ルビジウム原子発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】 ルビジウム原子発振器自体の発熱を大幅に低減し、高温側の仕様が７０℃ＭＡＸである市販の恒温槽付き水晶発振器の使用を可能とすることができる。
【解決手段】 恒温槽付き圧電発振器２と、周波数制御回路３と、原子共鳴器１０と、該恒温槽付き圧電発振器及び該周波数制御回路を包囲する第１の外部シールドケース４と、該原子共鳴器を包囲する第２の外部シールドケース１１と、を備えたルビジウム原子発振器において、原子共鳴器は、キャビティ部と、キャビティ部を包囲する第１の内部シールドケース２５と、ランプ部と、ランプ部を包囲する第２の内部シールドケース３５と、を備え、ランプ部の発光部とキャビティ部の受光部との間の光路に相当する第１及び第２の内部シールドケースの対向面には夫々透光部２５ａ、３５ａが形成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明はルビジウム原子発振器に関し、特に設置環境温度の影響により発振器の安定した動作を困難化する程度に発振器自体の温度が上昇することを防止することができる技術に関する。

ルビジウム原子発振器は、ルビジウム原子（Ｒｂ）が有する安定した固有周波数に水晶発振器の発振周波数を同期させた原子共鳴を利用した超高安定発振器であり、その出力周波数を原子共鳴周波数を基準にして制御するため、高い周波数安定度を確保できる。
図３（ａ）（ｂ）及び（ｃ）は従来のルビジウム原子発振器の構成を示す正面縦断面図、平面図、及び側面図であり、このルビジウム原子発振器は、恒温槽付きルビジウムランプ部１０１及び恒温槽付きルビジウムキャビティ部（ルビジウムガスセル部を備えた空洞共振器）１０２から成る原子共鳴器（Optical Microwave Unit）１００と、恒温槽付き水晶発振器（ＯＣＸＯ）１０３、及びその周波数制御回路１０４と、を備え、外観上の要請、及び電波の不要輻射防止の観点から各構成要素は全体として一つのシールドケース１０５内に収容されている。原子共振器は、ルビジウムランプ部１０１からの光をルビジウムキャビティ部１０２内に照射して内部のルビジウムガス原子を励起させる構成を備えている。
キャビティ部１０２とランプ部１０１は、マイクロ波による共鳴と光吸収を観測する原子共鳴器（ＯＭＵ）１００を構成しており、両者は同一の内部シールドケース１０６内に収容されるのが一般であり、そのため内部シールドケース内の蓄熱によって更に発振器自体の温度を上昇させる要因となっている。
ところで、ルビジウム原子発振器は基地局等で使用されるため、局舎の設置環境温度を加味したとしても単品で使用する場合には０〜５０℃の温度範囲において安定した使用が可能となるようにスペックが設定されていた。しかし、実際には内部部品（恒温槽付きキャビティ部や、恒温槽付きルビジウムランプ部）からの発熱によって１５〜２０℃程度、原子発振器内部の温度が昇温するため、その使用温度範囲が０〜７０℃の範囲となるように設計している。
更に、実際には、ルビジウム原子発振器が実機に実装された場合には実機の稼動に伴う温度上昇によって、使用環境温度の高温側は９０℃程度となる。
しかし、市販の恒温槽付き水晶発振器の高温側の仕様は７０℃ＭＡＸであるため、７０℃を越えた環境温度下では使用できなくなることがあった。
特開昭５３−５５５５号公報に開示された原子発振器においても、そのような環境温度の上昇に対応するための構成は開示されていない。
特開昭５３−５５５５号公報

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、ルビジウム原子発振器自体の発熱を大幅に低減するばかりでなく、実機に実装された場合に実機の稼動に伴う温度上昇によって使用環境温度が上昇することがあったとしても、従来のように原子発振器内部温度が７０℃以上に高温化することをなくし、高温側の仕様が７０℃ＭＡＸである市販の恒温槽付き水晶発振器の使用を可能とすることができる。

上記目的を達成するため、請求項１の発明は、恒温槽付き圧電発振器と、周波数制御回路と、原子共鳴器と、該恒温槽付き圧電発振器及び該周波数制御回路を包囲する第１の外部シールドケースと、該原子共鳴器を包囲する第２の外部シールドケースと、を備えたルビジウム原子発振器において、前記原子共鳴器は、恒温槽付きキャビティ部と、該恒温槽付きキャビティ部を包囲する第１の内部シールドケースと、恒温槽付きルビジウムランプ部と、該恒温槽付きルビジウムランプ部を包囲する第２の内部シールドケースと、を備え、該恒温槽付きルビジウムランプ部の発光部と該恒温槽付きキャビティ部の受光部との間の光路に相当する第１及び第２の内部シールドケースの対向面には夫々透光部が形成されていることを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１において、前記ランプ部の発光部に集光レンズを配置したことを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１、又は２において、前記第１の外部シールドケースの側面に通気用の穴を形成し、該穴を丸穴としたことを特徴とする。

本発明では、水晶発振器、及び周辺回路と、原子共鳴器とを夫々別個の外部シールドケースによって包囲することによって熱的な分離を達成して水晶発振器に対する悪影響が及ばないようにしている。つまり、従来のように恒温槽付きキャビティ部や、恒温槽付きルビジウムランプ部からの発熱によって原子発振器内部の温度が１５〜２０℃程度昇温することがなくなるので、その使用温度範囲が０〜７０℃の範囲となるように設計することができる。
このため、ルビジウム原子発振器自体の発熱が大幅に低減されるばかりでなく、実機に実装された場合に実機の稼動に伴う温度上昇によって使用環境温度が上昇することがあったとしても、従来のように原子発振器内部温度が７０℃以上に高温化することがなくなる。従って、高温側の仕様が７０℃ＭＡＸである市販の恒温槽付き水晶発振器の使用が可能となる。
また、原子共鳴器についてはキャビティ部とランプ部を夫々個別に内部シールドケースによって離間配置することにより、相互に熱的な影響を与えることがないようにしている。
また、離間配置された各内部シールドケース内に収容されたキャビティ部に対してランプ部から照射される光の強度低下については、集光レンズを用いることにより対応することができる。

以下、本発明を図面に示した実施の形態により詳細に説明する。
図１（ａ）（ｂ）及び（ｃ）は本発明の一実施形態に係るルビジウム原子発振器の内部構成を示す正面縦断面図、平面図、及び側面図である。図２（ａ）（ｂ）及び（ｃ）は、同ルビジウム原子発振器の外観構成を示す正面図、平面図、及び側面図である。なお、本実施形態では、使用する圧電発振器として水晶発振器を例示しているが、これは一例に過ぎず、本発明はあらゆるタイプの圧電発振器に適用することができる。
このルビジウム原子発振器１は、恒温槽付き水晶発振器（ＯＣＸＯ）２と、周波数制御回路３と、原子共鳴器１０と、恒温槽付き圧電発振器１及び周波数制御回路３を包囲する第１の外部シールドケース４と、原子共鳴器１０を包囲する第２の外部シールドケース１１と、を備えている。
一方、水晶発振器２及び周波数制御回路３を第１の外部シールドケース４で覆い、原子共鳴器１０を第２の外部シールドケース１１で覆うことにより、原子共鳴器１０内での発熱が水晶発振器２側へ伝達されないようにしている。
原子共鳴器１０は、恒温槽付きキャビティ部（以下、キャビティ部、という）２０と、キャビティ部２０を包囲する第１の内部シールドケース２５と、恒温槽付きルビジウムランプ部（以下、ランプ部、という）３０と、ランプ部３０を包囲する第２の内部シールドケース３５と、を備える。ランプ部３０の発光部３１とキャビティ部２０の受光部２１との間の光路に相当する第１の内部シールドケース２５と第２の内部シールドケース３５の各対向面には夫々透光部（穴、或いは穴と透明板）２５ａ、３５ａが形成されている。
キャビティ部２０は、ルビジウムガスセル部を備えた空洞共振器を恒温槽内に収容した構成を備え、恒温槽内の温度がヒータにより７０〜８０℃に設定されている。ランプ部３０は、ルビジウムランプを恒温槽内に収容した構成を備え、恒温槽内温度はヒータにより９０〜１００℃に設定されている。このため、これらの構成要素からの発熱は、原子発振器自体の内部温度の上昇に最も大きく影響を与える。ところで、キャビティ部２０とランプ部３０は、マイクロ波による共鳴と光吸収を観測する原子共鳴器（ＯＭＵ）１０を構成しており、ルビジウム原子発振器の心臓部であり、分離することができないばかりでなく近接配置する必要があるため、両者は同一の第２の外部シールドケース１１内に収容して近接して対向配置する。

本発明では、第２の外部シールドケース１１内に収容したキャビティ部２０とランプ部３０が互いに熱的に影響を与えることがないように、専用の内部シールドケース２５、３５によって夫々包囲することにより、両者を熱的に分離している。
ランプ部３０の発光部３１には集光レンズ３１ａを配置することにより、ランプ部３０とキャビティ部２０とが離間していることによる光強度の低下を補うようにしている。
更に本発明では、第１の外部シールドケース４の側面に通気用の穴４ａを多数形成して内外の通気性を高めることにより、水晶発振器や回路部品からの発熱による５〜１０℃程度の内部温度の上昇を防止している。更に、穴４ａを丸穴とすることにより穴からの電波の不要輻射を防止するように配慮している。
以上のように本発明のルビジウム原子発振器は、それ自体の内部温度を上昇させる原因となる原子共鳴器１０と水晶発振器２を夫々可能となるようにスペックが設定されていた。しかし、実際には内部部品（恒温槽付きキャビティ部や、恒温槽付きルビジウムランプ部）からの発熱によって１５〜２０℃程度、原子発振器内部の温度が昇温するため、その使用温度範囲が０〜７０℃の範囲となるように設計している。
更に、実際には、ルビジウム原子発振器が実機に実装された場合には実機の稼動に伴う温度上昇によって、使用環境温度の高温側は９０℃程度となる。
しかし、市販の恒温槽付き水晶発振器の高温側の仕様は７０℃ＭＡＸであるため、７０℃を越えた環境温度下では使用できなくなることがあった。

本発明では、別個の外部シールドケース１１、４によって包囲することによって熱的な分離を達成すると共に、原子共鳴器１０についてもキャビティ部２０とランプ部３０を夫々個別に内部シールドケース２５、３５によって離間配置することにより、相互に熱的な影響を与えることがないようにしている。
このため、ルビジウム原子発振器自体の発熱が大幅に低減されるばかりでなく、実機に実装された場合に実機の稼動に伴う温度上昇によって使用環境温度が上昇することがあったとしても、従来のように原子発振器内部温度が７０℃以上に高温化することがなくなる。従って、高温側の仕様が７０℃ＭＡＸである市販の恒温槽付き水晶発振器の使用が可能となる。
また、本発明によれば、従来のように恒温槽付きキャビティ部や、恒温槽付きルビジウムランプ部からの発熱によって原子発振器内部の温度が１５〜２０℃程度昇温することがなくなるので、その使用温度範囲が０〜７０℃の範囲となるように設計することができる。
また、離間配置された各内部シールドケース２５、３５内に収容されたキャビティ部２０に対してランプ部３０から照射される光の強度低下については、集光レンズ３１ａを用いることにより対応することができる。
更に、第１の外部シールドケース４内の発熱部品からの発熱によって発生する５〜１０℃程度の内部温度上昇については、第１の外部シールドケース４の適所に通気穴を設けることによって解消することができる。

（ａ）（ｂ）及び（ｃ）は本発明の一実施形態に係るルビジウム原子発振器の内部構成を示す正面縦断面図、平面図、及び側面図である。 （ａ）（ｂ）及び（ｃ）は、ルビジウム原子発振器の外観構成を示す正面図、平面図、及び側面図である。 （ａ）（ｂ）及び（ｃ）は、従来のルビジウム原子発振器の内部構成を示す正面図、平面図、及び側面図である。

符号の説明

１ ルビジウム原子発振器、２ 恒温槽付き水晶発振器（ＯＣＸＯ）、３ 周波数制御回路、４ 第１の外部シールドケース、１０ 原子共鳴器、１１ 第２の外部シールドケース、２０ 恒温槽付きキャビティ部、２１ 受光部、２５ 第１の内部シールドケース、２５ａ 透光部、３０ 恒温槽付きルビジウムランプ部、３５ 第２の内部シールドケース、３５ａ 透光部。

Claims (3)

1. 恒温槽付き圧電発振器と、周波数制御回路と、原子共鳴器と、該恒温槽付き圧電発振器及び該周波数制御回路を包囲する第１の外部シールドケースと、該原子共鳴器を包囲する第２の外部シールドケースと、を備えたルビジウム原子発振器において、
   前記原子共鳴器は、恒温槽付きキャビティ部と、該恒温槽付きキャビティ部を包囲する第１の内部シールドケースと、恒温槽付きルビジウムランプ部と、該恒温槽付きルビジウムランプ部を包囲する第２の内部シールドケースと、を備え、該恒温槽付きルビジウムランプ部の発光部と該恒温槽付きキャビティ部の受光部との間の光路に相当する第１及び第２の内部シールドケースの対向面には夫々透光部が形成されていることを特徴とするルビジウム原子発振器。
2. 前記ランプ部の発光部に集光レンズを配置したことを特徴とする請求項１に記載のルビジウム原子発振器。
3. 前記第１の外部シールドケースの側面に通気用の穴を形成し、該穴を丸穴としたことを特徴とする請求項１、又は２に記載のルビジウム原子発振器。

Images