JP2009302118A - 原子発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】構造を簡素化し、組み立てが容易な原子発振器を提供する。
【解決手段】リジッドフレキシブル基板のフレキシブル部に複数本の平行な導体ラインを形成し、ルビジウムランプを巻くようにフレキシブル部をループさせ、導体ラインの一端と他端とを一列ずらして接続することで、ルビジウムランプを無電極放電させるためのソレノイドコイルを構成し、フレキシブル部に導体パターンによる共振器を形成し、共鳴セルを巻くようにフレキシブル部をループさせ、共振器を共鳴セルに接触させ、フレキシブル部上の共振器の上下領域それぞれに複数本の平行な導体ラインを形成し、共鳴セルを巻くようにフレキシブル部をループさせ、導体ラインの一端と他端とを一列ずらして接続することで、共鳴セルの共鳴周波数を調整するためのソレノイドコイルを一体的に構成する。
【選択図】図１０

Description

本発明は、光ポンピングを原理とするパッシブ型の原子発振器に関し、特に、原子発振器の構造の簡素化に関する。

近年、情報のデジタルネットワーク化が進み、これに伴い高精度・高安定なクロック源が必要不可欠となっている。そのクロック源としてルビジウム原子発振器などの原子発振器が注目されており、小型、低コスト化が望まれている。特に、装置への実装形態から、薄型化が大きな課題である。原子発振器の薄型化は光‐マイクロ波共鳴器をいかに小型に実現するかがポイントになる（特許文献１）。

図１は、光ポンピングを原理とするルビジウム原子発振器の構成を説明する図である。図１において、第一の磁気シールド構造101は、第二の磁気シールド構造102により覆われ、それぞれの内側は断熱材103、104で覆われている。また、共鳴セル105は、ルビジウム原子が封入されていて、このルビジウム原子のエネルギー準位間の遷移を利用して特定の波長の光を吸収する。光検出器106は、この共鳴セル105を通過してくる光を検出する。空洞共振器107は共鳴セル105を収容し、結合アンテナ108は空洞共振器107にマイクロ波を供給する。ソレノイドコイル109は、共鳴セル105に封入されているルビジウム原子の共鳴周波数を調整する静磁場を発生する。ルビジウムランプ110は共鳴光を発し、ランプハウス111はルビジウムランプ110を収容する。励振器112はルビジウムランプ110を励振する回路、コイル113はルビジウムランプ110を無電極放電させるためのコイルである。

これらの共鳴セル105、光検出器106、空洞共振器107、ソレノイドコイル109、ルビジウムランプ110、ランプハウス111及び励振器112によってOMU(Optical Microwave Unit)が構成される。さらに、ヒータ114、115はそれぞれ共鳴セル105及びルビジウムランプ110を一定の温度に保つためのヒータであり、サーミスタ116、117はそれぞれ共鳴セル105及びルビジウムランプ110の温度により抵抗値が変化するサーミスタである。

温度制御回路118、119は、それぞれ共鳴セル105及びルビジウムランプ110の温度を一定に制御するための回路であり、この温度制御回路118、119はサーミスタ116、117の抵抗値によりトランジスタ120、121を制御し、ヒータ電流を制御する。

さらに、光検出器106の出力を増幅する前置増幅器122、低周波発振回路123、前置増幅器122の出力を低周波発振回路123の出力で同期検波する同期検波回路124、同期検波回路124の出力によって後述する電圧制御水晶発振器を制御する周波数制御回路125、共鳴セル105による原子共鳴を利用して発振周波数を安定化される電圧制御水晶発振器126、低周波発振回路123により変調される周波数変調回路127、ルビジウム原子の共鳴周波数（6.8346・・・・GHz）を生成する高周波発生回路128が設けられる。

図２は、ルビジウム原子発振器の動作原理を説明する図である。図２(ａ)に示すように、図１に示す共鳴セル105内に封入されたルビジウム原子は熱平衡状態にある場合には、基底準位である（5S,F1）準位と（5S,F2）準位に等しい確立で存在している。この状態で、ルビジウムランプ110の共鳴光を共鳴セル105に照射すると、図２(ｂ)に示すように、（5S,F1）準位のルビジウム原子のみが5P準位に励起される。これを光ポンピングと呼ぶ。しかし、5P準位は不安定なエネルギー準位であるため、図２(ｃ)に示すように、自然放出によって基底準位である（5S,F1）準位と（5S,F2）準位に等しい確率で遷移する。

そして、ルビジウムランプ110による共鳴光による（5S,F1）準位のルビジウム原子の5Pへの励起と、自然放出による（5S,F1）準位と（5S,F2）準位に等しい確率での遷移とを繰り返し、図２(ｄ)に示すように、ルビジウム原子は（5S,F2）準位にのみ存在するようになる。この状態を負温度状態という。この状態で、高周波発生回路128で生成したマイクロ波信号を空洞共振器107内で励振する。マイクロ波信号の周波数が（5S,F1）準位と（5S,F2）準位間のエネルギー差に対応する周波数（共鳴周波数）と一致すると、図２(ｅ)に示すように、（5F,F2）準位にあるルビジウム原子は誘導放出により（5F,F1）準位へ遷移する。このとき、共鳴セル105はルビジウムランプ110の発する光エネルギーを吸収するので、光検出器106の検出する光レベルが低下する。ルビジウム原子の遷移は（5S,F1）準位と（5S,F2）準位間のエネルギー差に対応する周波数（共鳴周波数）に一致したときに最大になり、マイクロ波の周波数と共鳴周波数との差が大きいほど小さくなる。

図３は、光ポンピングによる光検出器106の出力を示す図である。光検出器106の出力は図３(a)に示すようにマイクロ波の周波数が共鳴周波数と一致したとき最小になり、差が大きくなる程増加する。最終的には誘導放出が起きなくなるため一定となる。なお、曲線Aにおけるｆ₀近傍の凹部を「ディップ」と呼ぶ。

ところで、電圧制御水晶発振器126の出力は低周波発振回路123により位相変調されており、空洞共振器107内で励振されるマイクロ波信号の周波数は変化する。このため、共鳴セル105における光吸収効率（光吸収量）が変化し、光検出器106が検出する光レベルが変化する。まず、マイクロ波周波数がｆ0に等しい場合には、低周波信号で変調されたマイクロ波信号は前記ディップの底付近で変化するので、光検出器106の出力は図３のＢのように、低周波変調周波数の２倍の周波数信号が検出される。一方、マイクロ波信号がｆ0よりも高いときには、低周波信号で変調されたマイクロ波信号はディップの右側の立ち上がり部で変化するので、図３のＣのように低周波変調波と同位相で検出される。逆にマイクロ波信号がｆ0よりも低いときには、低周波信号で変調されたマイクロ波信号はディップの左側の立ち上がり部で変化するので、光検出器の出力は図3のＤに示すごとく、低周波変調信号と逆位相で変化する。

このような光検出器出力を、前置増幅器122を介して、同期検波回路124に導き、低周波発振回路123により同期検波する。すなわち、前置増幅器122で増幅された光検出器106の出力を周波数制御回路125に供給し、比例制御、積分制御、微分制御又はこれらの組み合わせ制御により、電圧制御水晶発振器126に供給する制御電圧（図３(ｂ)参照）を発生する。この制御電圧により、共鳴セルにおける共鳴周波数ｆ0に等しくなるように電圧制御水晶発振器126の出力が制御されて、ルビジウム原子発振器の出力として外部回路に供給される。

図４は、ルビジウム原子発振器の光−マイクロ波共鳴器の組み立て構成を説明する図である。光−マイクロ波共鳴器は、ルビジウムランプユニットP、空洞共振器ユニットQ、断熱材ユニットRにより構成される。

ルビジウムランプユニットPは以下の部品群、すなわち、ルビジウムランプ110、無電極放電用コイル113、ランプハウス111、ヒータ115、ルビジウムランプの温度制御用のサーミスタ117、コイル113、ヒータ115に必要電力を供給するリジッド基板402により構成される。リジッド基板402からフレキシブル基板403が延び、メインボードと接続する。メインボードは、図１における高周波発生回路128、周波数変調回路127、低周波発振回路123、前置増幅器122、同期検波回路124、周波数制御回路125及び電圧制御水晶発振器126などの各種制御回路及び電源回路が搭載される。

ルビジウムランプ110はコイル113内に接着固定され、加熱用のランプハウス111に内包される。ヒータトランジスタ115はランプハウス111を加熱するために熱伝導性のよいシート等により接触固定される。

空洞共振器ユニットQにおいて、空洞共振器107は、方形導波管の外壁となる金属ケース405、金属フタ406及びリジッド基板409により構成され、金属ケース405は光ポンピング光を内部に導く光導入孔を持ち、その内部に共振器の小型化のための誘電体ブロック404及び共鳴セル105が内包される。また、共鳴セル105の加熱のためのヒータトランジスタ114が金属ケース405に取り付けられる。光導入孔の対面には光検出器106及び温度制御のためのサーミスタ116、共振器内をマイクロ波で励振するための結合アンテナ108が実装されたリジッド基板409が金属ケース405の開口部を閉じるように取り付けられる。リジッド基板409からはフレキシブル基板403が延び、メインボードと接続する。

金属ケース405の上面は金属フタ406により閉じられ、この閉じた空間で空洞共振器107を構成する。フタ406には空洞共振器の共振周波数を調整する同調ネジ407が設けられ、この同調ネジ407の挿抜で共振周波数を調整可能とする。ルビジウムランプユニットＰ及び空洞共振器ユニットＱは、断熱材ユニットＲに挿入され、外部との断熱効果を得る。断熱材ユニットRは、断熱材410の外周にソレノイドコイル109が巻かれた構成であり、共鳴セルに静磁場を与える。この静磁場によるゼーマン効果により、共鳴セル内のルビジウム原子のエネルギー準位を整える。また、静磁場の印加強さを調整することで、ルビジウム原子の共鳴周波数を調整することが可能となる。

図５は、ルビジウムランプユニット、空洞共振器ユニット、断熱材ユニットを組み合わせた光−マイクロ波共鳴器の上面図である。光ポンピングを原理とした原子発振器では、静磁場によるゼーマン効果を利用しているため、地磁気等の静磁場による影響を大きく受ける。このため、共鳴セルは磁気シールドされる。

図６は、シールドケースを光−マイクロ波共鳴器に被せた外観略図である。高透磁率材を用いたシールドケース601内に光−マイクロ波共鳴器は収容される。シールドケース601から延びるフレキシブル基板403はメインボード603と接続する。メインボード603はリジッド基板であり、メインボード603には、図１における高周波発生回路128、周波数変調回路127、低周波発振回路123、前置増幅器122、同期検波回路124、周波数制御回路125及び電圧制御水晶発振器126などが搭載される。シールドケース601及びメインボード603は、さらに外装ケース（図示せず）に収容されて、製品として完成する。

このような構造を利用し、寸法及び性能の最適化を行い、現在では厚さ18mm（体積75cc）程度のルビジウム原子発振器が実現されている。
特開２００１−３０８４１６号公報

しかしながら、上述した従来の構成では、複数のユニットの組み合わせにより構成され、各ユニットも複雑な構造であり、構造の複雑化によりこれ以上の小型化、薄型化の妨げの一因となっている。また、各ユニットの組み立て方法も複雑であり（特に、コイルの巻き線工程は煩雑であり）、組み立て順序には厳格な規定が必要となっている。

そこで、本発明の目的は、構造を簡素化し、組み立てが容易な原子発振器を提供することにある。

上記目的を達成するための原子発振器では、リジッドフレキシブル基板に形成される導体パターンを用いて、ルビジウムランプを発光させるためのソレノイドコイル、共鳴セルの共鳴周波数を調整するためのソレノイドコイル及び共鳴セルを共振させる共振器を一体的に構成する。

リジッドフレキシブル基板のフレキシブル部に複数本の平行な導体ラインを形成し、ルビジウムランプを巻くようにフレキシブル部をループさせ、導体ラインの一端と他端とを一列ずらして接続することで、ルビジウムランプを無電極放電させるためのソレノイドコイルを構成する。

リジッドフレキシブル基板のフレキシブル部に導体パターンによる共振器を形成し、共鳴セルを巻くようにフレキシブル部をループさせ、共振器を共鳴セルに接触させる。導体パターンは、マイクロストリップライン又はマイクロスロットラインである。

フレキシブル部上の共振器の上下領域それぞれに複数本の平行な導体ラインを形成し、共鳴セルを巻くようにフレキシブル部をループさせ、導体ラインの一端と他端とを一列ずらして接続することで、共鳴セルの共鳴周波数を調整するためのソレノイドコイルを構成する。

リジッドフレキシブル基板に形成される導体パターンにより、ソレノイドコイルや共振器を構成することで、原子発振器の構造の簡素化、組み立ての容易化が実現する。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。しかしながら、かかる実施の形態例が、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

＜第一の実施の形態＞
第一の実施の形態では、ルビジウムランプを無電極放電させるためのソレノイドコイルをリジッドフレキシブル基板の導体パターンで形成する。リジッドフレキシブル基板は、フレキシブル基板とリジッド基板を一体化した基板であり、ガラスエポキシなどの硬質材料からなるリジッド部と、屈曲可能な材料を使用したフレキシブル部からなるプリント基板である。一般的には、フレキシブル基板の一部の両面にガラスエポキシ基板を貼り付けてリジッド部を形成し、ガラスエポキシ基板が貼り付けられないフレキシブル基板の部位がそのままフレキシブル部となる。スルーホールによりフレキシブル部とリジッド部の電気的導通が確保される。

図７は、第一の実施の形態におけるリジッドフレキシブル基板の構成を示す図である。

図７（ａ）はリジッドフレキシブル基板の上面図であって、リジッドフレキシブル基板には、導体パターンとして、リジッド部701からフレキシブル部702の端部Aに向けて延びる複数本の導体ライン703を有する。フレキシブル部702における導体ライン703の一端側Aの各々との接点を有するコネクタ704が、リジッド部701における導体ラインの他端側A’に設けられる。導体ライン703の一端側Aは、コネクタ704と電気的に接続するように導体面を表面層に露出させておく。

図７（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ図７（ａ）のＹ方向、Ｘ方向から見た図であり、図７（ｂ９に示されるように、ルビジウムランプ110を囲うようにフレキシブル部702をループさせ、フレキシブル部702の導体ライン703の一端側Aを他端側A’のコネクタ704に接続し、その際導体ライン703の一端側Aとコネクタ704を介して接続する導体ラインの他端側A’とが一列ずれるように接続される（図７（ｃ）参照）。これにより、複数の導体ライン703によるソレノイドコイルが形成され、このソレノイドコイルはルビジウムランプ110の無電極放電用コイルとして機能する。このように、導体パターンが形成されたフレキシブル基板をループさせてコネクタに接続することで、容易にソレノイドコイルを形成することができる。

フレキシブル部702は、ループ可能な程度に柔軟性を有する必要がある。従って、リジッドフレキシブル基板のフレキシブル部上の導体パターンの厚さ（導体厚）は薄い方が好ましい。導体厚は様々なものが市販されているが、薄いものでは18μmが一般的である。ただし、導体厚が薄いと、の許容電流値が小さくなる。ルビジウムランプ110の励起回路電流は最大300mA、定常時で100mAである。導体厚18μm、ライン幅0.5mm程度の寸法により、ループ可能な程度の柔軟性と許容電流値の条件を満足することができる。

また、ルビジウムランプ内のルビジウムの加熱気化に必要なヒータ（図１にヒータ115に相当）及びサーミスタ（図１のサーミスタ117に相当）をリジッド部701に容易に実装可能である。さらに、ルビジウムランプ110の固定には、熱伝導性を考慮して高熱伝導性接着剤を用い、フレキシブル部702との間を充填するのが好ましい。

フレキシブル部をループさせてソレノイドコイルを形成する構成は、後述するように、共鳴セルの周囲に巻かれるソレノイドコイルにも適用可能である。

＜第二の実施の形態＞
第二の実施の形態では、共鳴セルを共振させる共振器をリジッドフレキシブル基板で形成する。

図８は、第二の実施の形態におけるリジッドフレキシブル基板の構成を示す図である。図８（ａ）において、リジッドフレキシブル基板のフレキシブル部802に、共振器として機能するマイクロストリップライン（マイクロストリップ共振器）803を形成する。マイクロストリップ共振器（パッチアンテナとも呼ばれる）803の長さＬはλ／２（λは共振波長）である。一般にマイクロストリップラインは電磁界の漏れが少ないので、マイクロストリップ共振器803の幅Ｗを広げることで、電磁界の漏れを増やし、共鳴セルと磁場結合させる。幅Ｗは不要なモードでの共振を避けるために、λ／２以下であることが好ましい。

共鳴セル105の周囲をフレキシブル部802で巻くことで、共鳴セル105のガラス面にマイクロストリップ共振器803を接触させる（図８（ｂ）参照）。このとき、共鳴マイクロストリップ共振器803による発生する磁界成分がポンピング光と平行になるように、マイクロストリップ共振器803は共鳴セル105に取り付けられる。

マイクロストリップ共振器803には、給電用のマイクロストリップライン804が接続し、リジッド部801に延びている。リジッド部801のマイクロストリップライン804からマイクロ波信号が入力される。マイクロ波信号の入力レベルは、-30dBm程度であり、マイクロストリップラインでの電力伝搬は可能である。このように、導体パターンにより共振器を構成することで、空洞共振器を不要とし、原子発振器の小型化、薄型化が可能となる。

マイクロストリップライン803、804は、リジッドフレキシブル基板の表面層に形成されてよいし、内層又は裏面層に形成されてもよい。また、グランド面も、マイクロストリップライン803、804が形成される層と別の層に形成される。従って、最低２層必要となる。

最低２層のフレキシブル部において、ルビジウム原子の共鳴周波数約6834MHzのマイクロストリップ共振器を実現するには、導体厚18μm、フレキシブル部厚25μm、誘電率3.0とした場合、マイクロストリップ共振器803の長さL≒15mm程度となる。長さLは、共鳴セル105のガラス材の影響などによる若干の補正が必要ではあるが、寸法φ10×20mmの共鳴セルに適用可能な長さである。

また、図８（ａ）において、リジッドフレキシブル基板は、マイクロストリップ共振器803が形成されている部位の上下領域それぞれに、リジッド部801からフレキシブル部802の端部Ａに向けて延びる複数本の導体ライン805を有する。そして、図７（ａ）のコネクタ704と同様に、フレキシブル部802における導体ライン803の一端側Aの各々との接点を有するコネクタ806が、リジッド部801における導体ラインの他端側A’に設けられる。

そして、図８（ｂ）に示されるように、フレキシブル部802をループさせ、フレキシブル部802の導体ライン805の一端側Ａをコネクタ806に接続し、その際導体ライン805の一端側Aとコネクタ806を介して接続する導体ラインの他端側A’とが一列ずれるように接続することで、導体ライン803によるソレノイドコイルが、マイクロストリップ共振器803を挟むようにその上下領域にそれぞれ形成される。導体ライン805によるソレノイドコイルは、共鳴セルにゼーマン効果を誘発させるための静磁場を印加する。なお、ソレノイドコイルを分割した静磁場印加回路は例えば特開平2005-175221公報に記載されている。また、上述したように、共鳴セルを包むようにフレキシブル802をループさせることで、マイクロストリップ共振器803は共鳴セル105のガラス面に接触する。

図８（ｃ）はリジッドフレキシブル基板の裏面を示す図であり、ヒータ114、サーミスタ116が搭載される。ヒータ807によりグランドパターンを加熱することで、共鳴セル105の周囲を効果的に加熱することができる。また、共鳴セル105とフレキシブル基板802は高熱伝導性接着剤により接着されるのが好ましい。

＜第三の実施の形態＞
第三の実施の形態では、第二の実施の形態と同様に、共鳴セルを共振させる共振器をリジッドフレキシブル基板で形成する。第三の実施の形態では、第二の実施の形態のマイクロストリップラインに代わって、マイクロスロットラインにより共振器が形成される。

図９は、第三の実施の形態におけるリジッドフレキシブル基板の構成を示す図である。図９（ａ）において、リジッドフレキシブル基板のフレキシブル部902の表面層に、共振器として機能するマイクロスロットライン（マイクロスロット共振器）903を形成する。マイクロスロットライン903が形成される面は、グランド面となる。

マイクロスロットライン903が形成される層と別の層（内層又は裏面層）には、給電用のマイクロストリップライン904が形成される。マイクロストリップライン904からマイクロ波信号が入力され、マイクロスロットライン903に供給される。図９（ｃ）は、リジッドフレキシブル基板の裏面層を示し、マイクロストリップライン904が形成される例を示す。

第二の実施の形態と同様に、共鳴セル105のガラス面にマイクロスロット共振器903を接触させるように、共鳴セル105の周囲をフレキシブル部802で巻く（図９（ｂ）参照）。このとき、共鳴マイクロスロット共振器903による発生する磁界成分がポンピング光と平行になるように、マイクロスロット共振器903は共鳴セル105に取り付けられる。

ルビジウム原子の共鳴周波数約6834MHzのマイクロスロット共振器を実現するには、導体厚18μm、フレキシブル部厚25μm、誘電率3.0とした場合、マイクロスロット共振器903の長さL≒14mm程度となり、共鳴セル105のガラス材の影響などによる若干の補正が必要ではあるが、寸法φ10×20mmの共鳴セルに適用可能な長さである。

また、図９（ａ）において、図８（ａ）と同様に、リジッドフレキシブル基板は、マイクロスロット共振器903がパターニングされている部位の上下領域それぞれに、リジッド部901からフレキシブル部902の端部Aに向けて延びる複数本の導体ライン905がパターニングされている。そして、フレキシブル部902における導体ライン903の一端側Ａの各々との接点を有するコネクタ806が、リジッド部801における導体ラインの他端側Ａ’に設けられる。

そして、図９（ｂ）に示されるように、フレキシブル部802をループさせ、フレキシブル部802の導体ライン805の一端側Ａをコネクタ806に接続し、その際導体ライン805の一端側Aとコネクタ806を介して接続する導体ラインの他端側Ａ’とが一列ずれるように接続することで、導体ライン803によるソレノイドコイルが、マイクロスロット共振器903を挟むようにその上下領域にそれぞれ形成される。導体ライン905によるソレノイドコイルは、共鳴セルにゼーマン効果を誘発させるための静磁場を印加する。また、上述したように、共鳴セルを包むようにフレキシブル902をループさせることで、マイクロストリップ共振器803は共鳴セル105のガラス面に接触する。

図９（ｃ）はリジッドフレキシブル基板の裏面を示す図であり、ヒータ907（図１のヒータ114に相当）、サーミスタ908（図１のサーミスタ116に相当）が搭載される。ヒータ907によりグランドパターンを加熱する。共鳴セル105とフレキシブル基板902は高熱伝導性接着剤により接着されるのが好ましい。

＜第四の実施の形態＞
第四の実施の形態は、上述の第一の実施の形態と第二の実施の形態を１枚のフレキシブル基板で実現する構成を示す。ルビジウムランプ110を無電極放電させるためのソレノイドコイル、共鳴セル105を励振する共振器、共鳴セル105に静磁場を与えるためのソレノイドコイル及び周辺回路群をリジッドフレキシブル基板により一体的に形成することで、構造を簡素化し、組み立てを容易とすることができる。

図１０は、第四の実施の形態におけるリジッドフレキシブル基板の構成を示す図である。図１０（ａ）は、リジッドフレキシブル基板の表面を示しており、リジッドフレキシブル基板は、１つのリジッド部1001及びそれから延びる別々の２つのフレキシブル部1002及び1003を有する。フレキシブル部1002は、第一の実施の形態におけるフレキシブル部702（図７参照）に相当し、複数の導体ライン1004が平行に形成される。ルビジウムランプ110を巻くようにフレキシブル部1002をループさせて、フレキシブル部1002の端部をリジッド部1001に形成されるコネクタ1005と接続することで、ルビジウムランプ用のソレノイドコイルを形成する。

フレキシブル部1003は、第二の実施の形態におけるフレキシブル部802（図８参照）に相当し、マイクロストリップ共振器1006がパターニングされており、さらにその上下両側それぞれに複数の導体ライン1007が平行に形成される。共鳴セル105を巻き込むようにフレキシブル部1003をループさせて、フレキシブル部1003の端部をリジッド部1001に形成されるコネクタ1008と接続することで、マイクロストリップ共振器1006が共鳴セル105のガラス面に接触させるとともに、共鳴セル105に印加される静磁場を生成するソレノイドコイルが形成される。

ルビジウムランプ110、共鳴セル105共に、リジッド部1001及びフレキシブル部1002、1003との効率的な熱結合のために、高熱伝導接着剤にて固定・充填される。

さらに、リジッド部1001には、コネクタ1005、1008を挟んでルビジウムランプ110及び共鳴セル105が載置される領域の反対側に、さまざまな回路群を実装する領域（回路群実装領域）を有する。実装される回路は、図１に示されるルビジウムランプ110を高周波励振するための発振回路112、高周波発生回路128、前置増幅器122、周波数変調回路127、電圧制御水晶発振器126、低周波発振回路123、同期検波回路124などである。従来構成のように、複数のリジッド基板をフレキシブル基板で接続する構成ではなく、一枚のリジッドフレキシブル基板に回路群を集約することが可能となり、装置の小型化、簡素化に寄与する。

また、リジッド部1001の裏面には、図１０（ｂ）に示すように、ルビジウムランプ110を加熱するためのヒータ115、ルビジウムランプ110の温度検知用のサーミスタ117、ヒータ115の温度制御回路119、共鳴セル105を加熱するためのヒータ114、共鳴セル105の温度検知用のサーミスタ116、ヒータ114の温度制御回路118が実装される。

さらには、リジッド部1001の共鳴セル105の載置位置から下方に延びるフレキシブル部1009には、光検出器106が接続される。光検出器106は、組み立ての際、フレキシブル部1009を屈曲させて、共鳴セル105の底面に接着固定される。

孔部1010、1011は、リジッド部1001にあけられた穴であり、後述するように、孔部1010はシールドケースの取り付け穴に利用される。また、ルビジウムランプ110と共鳴セル105は通常異なる温度に制御されるため、両者間の熱伝導を妨げるために孔部1011が設けられる。さらに、フレキシブル部1002、1003を１枚のフレキシブル基板とせずに、別々に分割するのも、熱結合を分離するためである。

図１０に示した第四の実施の形態では、第一の実施の形態と第二の実施の形態とを組み合わせた構成を例示したが、第二の実施の形態（マイクロストリップラインによる共振器）に代わり、第三の実施の形態（マイクロスロットラインによる共振器）を用いても同様に構成できる。

図１１は、シールドケースが取り付けられたリジッドフレキシブル基板を説明する図である。図１１では、図１０に示した第四の実施の形態のリジッドフレキシブル基板にシールドケース1100を取り付ける例を示す。図１１（ａ）は、シールドケース1100が取り付けられたリジッドフレキシブル基板の上面図であり、図１１（ｂ）は断面図である。

シールドケース1100は、フレキシブル部が巻かれたルビジウムランプ及び共鳴セルの設置部分を囲うように取り付けられる。これにより、シールドケース1100は、ルビジウムランプ110及び共鳴セル105を覆う磁気シールドとなる。

図１１（ｃ）はシールドケース1100の展開図である。シールドケース1100はパーマロイ材の板金であり、側面の内側にはウレタンなどの弾力性のある断熱材1101が貼り付けられている。断熱材1101は、ルビジウムランプ110と共鳴セル105がシールドケース1100の板金と直接接触することを防止し、外部との熱結合を疎にする。

また、突起部1102は、箱形に折り曲げる際に凹部1103と嵌合する。別の突起部1104は、箱形に折り曲げる際に図１０の孔部1011に通されて、凹部1105と嵌合する。

上述の構成から組み立て工程は、基本的に、リジッド部1001の所定位置にルビジウムランプ110と共鳴セル105を固定し、それらを巻くようにフレキシブル部1002、1103をループさせてコネクタ1005、1008に接続し、その上からシールドケース1100を被せるだけで完了し、面倒な巻き線作業や厳格な組み立て規定を不要として、極めて容易な作業で組み立てが完了する。

以上説明した実施の形態の主な技術的特徴は以下の付記の通りである。

（付記１）
光源と、
前記光源を発光させるための第一のコイルと、
共鳴周波数に対応するエネルギー準位間の遷移により前記光源からの光を吸収する原子が封入される共鳴セルと、
前記共鳴セル内の原子の共鳴周波数を調整するための第二のコイルと、
マイクロ波を励振して所定周波数のマイクロ波を前記共鳴セルに供給する共振器と、
前記マイクロ波の周波数に応じた前記共鳴セル内での光吸収量に対応する制御電圧を生成する制御回路と、
前記制御電圧により出力信号の周波数が前記共鳴周波数に制御される発振器とを備え、
前記第一のコイル、前記第二のコイル及び前記共振器は、リジッド部とフレキシブル部とを有するリジッドフレキシブル基板上の導体パターンにより形成され、前記フレキシブル部は前記光源及び前記共鳴セルの周囲に巻かれ、前記リジッド部上のコネクタと接続することを特徴とする原子発振器。

（付記２）
付記１において、
前記制御回路及び前記発振器は前記リジッド部に設けられることを特徴とする原子発振器。

（付記３）
付記２において、
前記フレキシブル部が巻かれた前記光源及び前記共鳴セルを覆う磁気シールドケースを備え、
前記制御回路及び前記共鳴セルが設けられる前記リジッド部の部分は前記磁気シールドケースの外側に露出していることを特徴とする原子発振器。

（付記４）
付記１乃至３のいずれかにおいて、
前記光源を加熱する第一のヒータ及び前記共鳴セルを加熱する第二のヒータを備え、
前記第一のヒータ及び前記第二のヒータは、前記リジッド部における前記光源及び前記共鳴セルが接する位置の裏面側に設けられることを特徴とする原子発振器。

（付記５）
付記１において、
前記共振器はマイクロストリップ共振器であることを特徴とする原子発振器。

（付記６）
付記１において、
前記共振器はマイクロスロット共振器であることを特徴とする原子発振器。

（付記７）
光源と、
前記光源を発光させるためのコイルと、
共鳴周波数に対応するエネルギー準位間の遷移により前記光源からの光を吸収する原子が封入される共鳴セルと、
マイクロ波信号を励振して所定周波数のマイクロ波信号を前記共鳴セルに供給する共振器と、
前記マイクロ波信号の周波数に応じた前記共鳴セル内での光吸収量に対応する制御電圧を生成する制御回路と、
前記制御電圧により発振周波数が前記共鳴周波数に制御される発振器とを備え、
前記コイルは、リジッド部とフレキシブル部とを有するリジッドフレキシブル基板上の導体パターンにより形成され、前記フレキシブル部は前記光源の周囲に巻かれ、前記リジッド部上のコネクタと接続することを特徴とする原子発振器。

（付記８）
光源と、
共鳴周波数に対応するエネルギー準位間の遷移により前記光源からの光を吸収する原子が封入される共鳴セルと、
前記共鳴セル内の原子の共鳴周波数を調整するためのコイルと、
マイクロ波信号を励振して所定周波数のマイクロ波信号を前記共鳴セルに放射する共振器と、
前記マイクロ波信号の周波数に応じた前記共鳴セル内での光吸収量に対応する制御電圧を生成する制御回路と、
前記制御電圧により出力信号の周波数が前記共鳴周波数に制御される発振器とを備え、
前記コイル及び前記共振器は、リジッド部とフレキシブル部とを有するリジッドフレキシブル基板上の導体パターンにより形成され、前記フレキシブル部は前記共鳴セルの周囲に巻かれ、前記リジッド部上のコネクタと接続することを特徴とする原子発振器。

光ポンピングを原理とするルビジウム原子発振器の構成を説明する図である。 ルビジウム原子発振器の動作原理を説明する図である。 光ポンピングによる光検出器106の出力を示す図である。 ルビジウム原子発振器の光−マイクロ波共鳴器の組み立て構成を説明する図である。 ルビジウムランプユニット、空洞共振器ユニット、断熱材ユニットを組み合わせた光−マイクロ波共鳴器の上面図である。 シールドケースを光−マイクロ波共鳴器に被せた外観略図である。 第一の実施の形態におけるリジッドフレキシブル基板の構成を示す図である。 第二の実施の形態におけるリジッドフレキシブル基板の構成を示す図である。 第三の実施の形態におけるリジッドフレキシブル基板の構成を示す図である。 第四の実施の形態におけるリジッドフレキシブル基板の構成を示す図である。 シールドケースが取り付けられたリジッドフレキシブル基板を説明する図である。

符号の説明

105：共鳴セル、106：光検出器、107：空洞共振器、108：結合アンテナ、109：ソレノイドコイル、110：ルビジウムランプ、111：ランプハウス、112：励振器、113：ソレノイドコイル、114：ヒータ、115：ヒータ、116：サーミスタ、117：サーミスタ、118：温度制御回路、119：温度制御回路、122：前置増幅器、123：低周波発振回路、124：同期検波回路、125：周波数制御回路、126：電圧制御水晶発振器、127：周波数変調回路、128：高周波発生回路、701：リジッド部、702：フレキシブル部、703：導体ライン、704：コネクタ、801：リジッド部、802：フレキシブル部、803：マイクロストリップ共振器、804：マイクロストリップライン、805：導体ライン、806：コネクタ、901：リジッド部、902：フレキシブル部、903：マイクロスロット共振器、904：マイクロストリップライン、905：導体ライン、906：コネクタ、1001：リジッド部、1002：フレキシブル部、1003：フレキシブル部、1004：導体ライン、1005：コネクタ、1006：マイクロストリップ共振器、1007：導体ライン、1008：コネクタ、1009：フレキシブル部、1010：孔部、1011：孔部、1100：シールドケース、1101：断熱材、1102：突起部、1103：凹部、1104：突起部、1105：凹部

Claims (5)

1. 光源と、
   前記光源を発光させるための第一のコイルと、
   共鳴周波数に対応するエネルギー準位間の遷移により前記光源からの光を吸収する原子が封入される共鳴セルと、
   前記共鳴セル内の原子の共鳴周波数を調整するための第二のコイルと、
   マイクロ波を励振して所定周波数のマイクロ波を前記共鳴セルに供給する共振器と、
   前記マイクロ波の周波数に応じた前記共鳴セル内での光吸収量に対応する制御電圧を生成する制御回路と、
   前記制御電圧により出力信号の周波数が前記共鳴周波数に制御される発振器とを備え、
   前記第一のコイル、前記第二のコイル及び前記共振器は、リジッド部とフレキシブル部とを有するリジッドフレキシブル基板上の導体パターンにより形成され、前記フレキシブル部は前記光源及び前記共鳴セルの周囲に巻かれ、前記リジッド部上のコネクタと接続することを特徴とする原子発振器。
2. 請求項１において、
   前記制御回路及び前記発振器は前記リジッド部に設けられることを特徴とする原子発振器。
3. 請求項２において、
   前記フレキシブル部が巻かれた前記光源及び前記共鳴セルを覆う磁気シールドケースを備え、
   前記制御回路及び前記共鳴セルが設けられる前記リジッド部の部分は前記磁気シールドケースの外側に露出していることを特徴とする原子発振器。
4. 光源と、
   前記光源を発光させるためのコイルと、
   共鳴周波数に対応するエネルギー準位間の遷移により前記光源からの光を吸収する原子が封入される共鳴セルと、
   マイクロ波信号を励振して所定周波数のマイクロ波信号を前記共鳴セルに供給する共振器と、
   前記マイクロ波信号の周波数に応じた前記共鳴セル内での光吸収量に対応する制御電圧を生成する制御回路と、
   前記制御電圧により発振周波数が前記共鳴周波数に制御される発振器とを備え、
   前記コイルは、リジッド部とフレキシブル部とを有するリジッドフレキシブル基板上の導体パターンにより形成され、前記フレキシブル部は前記光源の周囲に巻かれ、前記リジッド部上のコネクタと接続することを特徴とする原子発振器。
5. 光源と、
   共鳴周波数に対応するエネルギー準位間の遷移により前記光源からの光を吸収する原子が封入される共鳴セルと、
   前記共鳴セル内の原子の共鳴周波数を調整するためのコイルと、
   マイクロ波信号を励振して所定周波数のマイクロ波信号を前記共鳴セルに放射する共振器と、
   前記マイクロ波信号の周波数に応じた前記共鳴セル内での光吸収量に対応する制御電圧を生成する制御回路と、
   前記制御電圧により出力信号の周波数が前記共鳴周波数に制御される発振器とを備え、
   前記コイル及び前記共振器は、リジッド部とフレキシブル部とを有するリジッドフレキシブル基板上の導体パターンにより形成され、前記フレキシブル部は前記共鳴セルの周囲に巻かれ、前記リジッド部上のコネクタと接続することを特徴とする原子発振器。

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