JP2015164288A - 原子発振器及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】量産性に優れた３次元構造の原子発振器等を提供する。【解決手段】本原子発振器は、ガスセルと複数の部材とを有する原子発振器であって、前記複数の部材は、前記ガスセルの温度制御装置と、前記ガスセルに封入された原子を励起する励起光源と、前記励起光源の温度制御装置と、前記ガスセルを透過した励起光を検出する受光素子と、を含み、前記複数の部材は、配線パターンを有する絶縁フィルムに接続されている。【選択図】図２

Description

本発明は、原子発振器及びその製造方法に関する。

極めて正確な時間を計る時計として原子時計（原子発振器）があり、この原子時計を小型化する技術等の検討がなされている。原子時計とは、アルカリ金属等の原子を構成している電子の遷移エネルギー量を基準とする発振器であり、特に、アルカリ金属の原子における電子の遷移エネルギーは外乱がない状態では、非常に精密な値が得られるため、水晶発振器に比べて、数桁高い周波数安定性を得ることができる。

このような原子時計には、幾つかの方式があるが、中でも、ＣＰＴ（Coherent Population Trapping）方式の原子時計は、従来の水晶発振器に比べて周波数安定性が３桁程度高く、また、超小型、超低消費電力を望むことができる（例えば、非特許文献１、２）。

ＣＰＴ方式の原子時計では、図１に示すように、レーザ素子等の光源９１０と、アルカリ金属を封入したアルカリ金属セル９４０と、アルカリ金属セル９４０を透過したレーザ光を受光する光検出器９５０とを有しており、レーザ光は変調され、特定波長である搬送波の両側に出現するサイドバンド波長により、アルカリ金属原子における電子の２つの遷移を同時に行ない、励起する。この遷移における遷移エネルギーは不変であり、レーザ光のサイドバンド波長と遷移エネルギーに対応する波長とが一致したときに、アルカリ金属における光の吸収率が低下する透明化現象が生じる。このように、アルカリ金属による光の吸収率が低下するように、搬送波の波長を調整するとともに、光検出器９５０において検出された信号を変調器９６０にフィードバックし、変調器９６０によりレーザ素子等の光源９１０からのレーザ光の変調周波数を調整することを特徴とした原子時計である。なお、レーザ光は、光源９１０より発せられ、コリメートレンズ９２０及び４分の１波長板９３０を介し、アルカリ金属セル９４０に照射され、光検出器９５０に入射する。光源９１０から光検出器９５０までは量子部（図中『１』と表示）と呼ばれ、高性能化のために小型化が望まれている。

このような超小型の原子時計におけるアルカリ金属セルとして、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いて生産する方法が開示されている（例えば、特許文献１〜４）。これらに開示されている方法では、最初に、フォトリソグラフィ技術とエッチング技術によりＳｉ基板に開口部を形成した後、陽極接合によりガラスとＳｉ基板とを接合する。陽極接合は、２００℃〜４５０℃の温度で、ガラスとＳｉ基板との界面に２５０Ｖ〜１０００Ｖ程度の電圧を印加することにより行なわれる。この後、アルカリ金属とバッファガスを入れて、上面となる開口部分にガラスを陽極接合により接合することにより封止する。このようにして形成されたものをセルごとに切り出すことにより、アルカリ金属セルが形成される。

このようなアルカリ金属ガスセル（以後、ガスセルと記載）は、封入したアルカリ金属とバッファガスをガス状にするために、所定温度に加熱されている。ガスセルでの消費電力を抑えるためには、ガスセル部の熱抵抗を高くする必要がある。そのために、中空構造とした断熱方法が採用されている。

このような中空構造の一例として、チップスケール原子時計の量子部において、ＶＣＳＥＬ光源、ＭＥＭＳ型のガスセル、光受光器を光の進行方向に３次元的に積み上げた構造を挙げることができる（例えば、特許文献５の図１等）。この構造をより詳しく説明すれば、量子部パッケージ内に垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）、光学部品である４分の１波長板、アルカリ金属ガスセル、及び光検出器を含み、これらは、シリコンで形成されてスペーサに固定した支持台に固定された中空構造となっている。又、量子部を動作させるための電源との接続はリード線でパッケージとＶＣＳＥＬは結線されている。具体的には、リード線として金線ワイヤが使われる。

又、中空構造の他の例として、光受光器の中央にＶＣＳＥＬ光源が配置され、その前方にガスセルユニットが配置され、ガスセルユニットにはミラー及び加熱素子が配置されガスセルに入射した光はミラーで折り返し、光受光素子に入射する構造を挙げることができる（例えば、特許文献６の図１、図２等）。この例では、各部材を３次元的に積み上げ、更にテザーで中空構造としているために、複雑な構成となっている。

以上説明したように、従来提案されていた中空構造は複雑で、又、リード線の引出を困難にしていた。すなわち、従来の技術では、各部材を光の出射方向に３次元的に精度良く積み上げて固定する複雑な構造であり量産化に適さないこと、更に、部材が各層に分かれるために、ワイヤーボンディングによるリード線取り出しが煩雑である欠点があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、量産性に優れた３次元構造の原子発振器等を提供することを課題とする

本原子発振器は、ガスセルと複数の部材とを有する原子発振器であって、前記複数の部材は、前記ガスセルの温度制御装置と、前記ガスセルに封入された原子を励起する励起光源と、前記励起光源の温度制御装置と、前記ガスセルを透過した励起光を検出する受光素子と、を含み、前記複数の部材は、配線パターンを有する絶縁フィルムに接続されていることを要件とする。

開示の技術によれば、量産性に優れた３次元構造の原子発振器等を提供できる。

原子発振器の説明図である。 第１の実施の形態に係る原子発振器の構造を例示する図である。 第１の実施の形態に係る原子発振器の製造工程を例示する図（その１）である。 第１の実施の形態に係る原子発振器の製造工程を例示する図（その２）である。 第１の実施の形態に係る原子発振器の製造工程を例示する図（その３）である。 第２の実施の形態に係る原子発振器の製造工程を例示する図（その１）である。 第２の実施の形態に係る原子発振器の製造工程を例示する図（その２）である。 第３の実施の形態に係る原子発振器の製造工程を例示する図（その１）である。 第３の実施の形態に係る原子発振器の製造工程を例示する図（その２）である。 第３の実施の形態に係る原子発振器の製造工程を例示する図（その３）である。 第４の実施の形態に係る原子発振器の製造工程を例示する図である。 第５の実施の形態に係る原子発振器の製造工程を例示する図である。 第６の実施の形態に係る原子発振器の製造工程を例示する図である。 第７の実施の形態に係る原子発振器の製造工程を例示する図（その１）である。 第７の実施の形態に係る原子発振器の製造工程を例示する図（その２）である。 第８の実施の形態に係る原子発振器の製造工程を例示する図である。 第９の実施の形態に係る原子発振器の製造工程を例示する図（その１）である。 第９の実施の形態に係る原子発振器の製造工程を例示する図（その２）である。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

〈第１の実施の形態〉
［原子発振器の構造］
まず、原子発振器の構造について説明する。図２は、第１の実施の形態に係る原子発振器の構造を例示する図である。図２を参照するに、第１の実施の形態に係る原子発振器１は、主要な構成要素として、面発光レーザ素子（ＶＣＳＥＬ）１０、小型セラミックパッケージ２０、光学部品３０、ホルダ４０、ガスセル５０、サーミスタ６０、フォトダイオード７０、絶縁フィルム８０、支持体９０を含む量子部を有する。

なお、本実施の形態では、便宜上、原子発振器１のフォトダイオード７０側を上側、支持体９０側を下側とする。但し、原子発振器１は天地逆の状態で用いることができ、又は任意の角度で配置することができる。又、平面視とは対象物を励起光の進行方向から視ることを指すものとする。

面発光レーザ素子１０は、ガスセル５０に封入したアルカリ金属原子を励起する励起光源である。面発光レーザ素子１０及び面発光レーザ素子１０の温度をモニタするサーミスタ（図３（ｃ）のサーミスタ１００）は、小型セラミックパッケージ２０にマウントされている。

小型セラミックパッケージ２０はヒータ２５を内蔵しており、マウントされたサーミスタ１００により検出された温度に基づいて、面発光レーザ素子１０の温度が制御される。すなわち、小型セラミックパッケージ２０に内蔵されたヒータ２５及びマウントされたサーミスタ１００は、励起光源である面発光レーザ素子１０の温度制御装置を構成している。

小型セラミックパッケージ２０の上部には、ＮＤ（Neutral Density）フィルタや４分の１波長板等の光学部品３０を収納したホルダ４０が設けられている。ホルダ４０の上部には、アルカリ金属ガスセルであるガスセル５０が設けられ、ガスセル５０の近傍にはガスセル５０の温度をモニタするサーミスタ６０が配置されている。ホルダ４０の材料としては、例えば、励起光を透過するポリカーボネート等を用いることができる。

ガスセル５０は、穴を開けたシリコンにバッファガスとアルカリ金属を入れ、穴の下側がガラス板５５、上側がガラス板５６で封止されており、ガラス板５５及び５６の各々の表面には白金によるヒータ（図３（ｃ）の加熱用ヒータ５８）が形成されている。ガスセル５０は、封入したアルカリ金属原子をガス状にするために、所定温度まで加熱用ヒータ５８により加熱され、その温度は、ガスセル５０の近傍に配置したサーミスタ６０により検知され、精密な温度コントロールが行なわれる。なお、ガスセル５０において、ガラス板５５の励起光が通過する領域を特に窓部５５ｘ、ガラス板５６の励起光が通過する領域を特に窓部５６ｘとする。

ガスセル５０の上部には、フォトダイオード７０が設けられている。フォトダイオード７０は、ガスセル５０を通過した面発光レーザ素子１０からの励起光を検出する受光素子である。小型セラミックパッケージ２０、ホルダ４０、ガスセル５０、サーミスタ６０、及びフォトダイオード７０は、絶縁フィルム８０の所定の面に固定され、絶縁性の支持体９０上に積層されている。

又、面発光レーザ素子１０、面発光レーザ素子１０の温度をモニタするサーミスタ１００、小型セラミックパッケージ２０に内蔵されたヒータ２５、ガスセル５０に設けられた加熱用ヒータ５８、サーミスタ６０、及びフォトダイオード７０は、絶縁フィルム８０に設けられた配線パターンと電気的に接続されている。絶縁フィルム８０としては、例えば、可撓性を有する厚さ２５μｍ程度のポリイミドフィルム等を用いることができる。支持体９０としては、例えば、ガラス板等を用いることができる。

なお、サーミスタ６０は、ガスセル５０の側面に熱伝導性接着剤（図示せず）等により固定されている。

ホルダ４０の励起光が通過する領域には窓部４０ｘが設けられている。又、絶縁フィルム８０の励起光が通過する領域には窓部８０ｘ及び８０ｙが設けられている。窓部４０ｘ、窓部８０ｙ、窓部５５ｘ、窓部５６ｘ、及び窓部８０ｘは、励起光の進行方向（図２では上下方向）に連通するように配置されており、連通する窓部内にフォトダイオード７０の受光面が露出している。すなわち、面発光レーザ素子１０からの励起光は、光学部品３０を収納したホルダ４０の窓部４０ｘを通過し、更に窓部８０ｙ、窓部５５ｘ、窓部５６ｘ、及び窓部８０ｘ内を通過して、フォトダイオード７０の受光面で受光される。

量子部において、面発光レーザ素子１０の出射面と、ガスセル５０における面発光レーザ素子１０から出射される励起光の進行方向に垂直な面と、フォトダイオード７０の受光面とが同一の光路上に位置している。又、絶縁フィルム８０の少なくとも一部は、面発光レーザ素子１０、ガスセル５０、及びフォトダイオード７０の何れかに直接又は間接に挟まれている。

量子部は、支持体９０側をセラミックパッケージ１１０のキャビティ側に向けて配置され、絶縁フィルム８０に設けられた接続端子と、キャビティ内に設けられたパッド（図示せず）とが、はんだ１２０を介して接合されている。

又、量子部は、断熱するために、セラミックパッケージ１１０、シールリング１３０、及びリッド１４０により真空封止されている。シールリング１３０としては、例えば、金めっきが施されたコバール等を用いることができる。リッド１４０としては、例えば、ニッケルめっきが施されたコバールやパーマロイ等を用いることができる。

［原子発振器の製造方法］
次に、原子発振器の製造方法について説明する。図３〜図５は、第１の実施の形態に係る原子発振器の製造工程を例示する図である。

まず、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示す工程では、絶縁フィルム８０（例えば、厚さ２５μｍ程度のポリイミドフィルム）を用意する。図３（ａ）は絶縁フィルム８０の一方の面側を示す平面図であり、図３（ｂ）は絶縁フィルム８０の一方の面の反対側の面である他方の面側を示す平面図（底面図）である。なお、ここでは、小型セラミックパッケージ２０が実装される面を一方の面と称する。

絶縁フィルム８０には、部材実装用のランド８１、８２、８３、及び８４、配線パターン８５、並びに接続端子８６が形成されている。又、絶縁フィルム８０には、窓部となる貫通孔８０ｘ及び８０ｙが形成されている。部材実装用のランド８１、８２、８３、及び８４、並びに接続端子８６は、配線パターン８５と電気的に接続されている。

ランド８１、８２、８３、及び８４は、各ランド上に実装される複数の部材が一列に並ぶように形成されている。言い換えれば、ランド８１、８２、８３、及び８４は、絶縁フィルム８０を折りたたんで又は巻いて量子部を組み立てたときに、各ランドに実装された各部材が励起光の進行方向に一列に並ぶように配置されている。

絶縁フィルム８０の一方の面に設けられた配線パターン８５と、絶縁フィルム８０の他方の面に設けられた配線パターン８５とは、絶縁フィルム８０を貫通するスルーホール（図４（ｂ）のスルーホール８８等）により、適宜接続されている。なお、図３（ａ）及び図３（ｂ）において、実際には多数の配線パターン８５が設けられているが、説明の便宜上、代表的なもののみを図示している。

次に、図３（ｃ）に示す工程では、絶縁フィルム８０の部材実装用のランド８１、８２、８３、及び８４上にクリームはんだ等を印刷する。印刷後、ランド８１、８２、８３、及び８４上に、面発光レーザ素子１０及びサーミスタ１００を実装した小型セラミックパッケージ２０、フォトダイオード７０、サーミスタ６０、並びにガスセル５０を配置する。但し、本実施の形態では、ガスセル５０に設けられた加熱用ヒータ５８がランド８４と電気的に接続され、加熱用ヒータ５８を介してガスセル５０が配置される（以降の実施の形態においても同様）。加熱用ヒータ５８は、例えば、平面視において、窓部５５ｘを略周回するようにガラス板５５の表面に設けられる。又、加熱用ヒータ５８は、例えば、平面視において、窓部５６ｘを略周回するようにガラス板５６の表面に設けられる。

そして、例えば２４０〜２６０℃程度の熱処理によりクリームはんだ等を溶融後凝固させ、各ランドと各部材とを電気的に接続すると共に固定する。なお、ガスセル５０は、ガスセル５０の窓部５５ｘ及び５６ｘと、絶縁フィルム８０の窓部８０ｘとが、平面視において重複するように（連通するように）固定する。

次に、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示す工程では、絶縁フィルム８０の一方の面に、小型セラミックパッケージ２０を覆うように光学部品３０を収容したポリカーボネート製等のホルダ４０を固定する。又、絶縁フィルム８０の他方の面の左端に支持体９０（例えば、ガラス板）を固定する。ホルダ４０や支持体９０の固定には、例えば、耐熱性樹脂製接着剤等を用いることができる。なお、図４（ａ）は絶縁フィルム８０の一方の面側を示す平面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。

次に、図５（ａ）に示す工程では、ガスセル５０側を中心として矢印Ｒの方向に絶縁フィルム８０を巻いて３次元的に各部材を積み上げ、積み上げた各層を耐熱性の紫外線硬化樹脂等で固定し、図５（ｂ）に示す量子部を組み立てる。なお、ガスセル５０の窓部５５ｘ及び５６ｘと、絶縁フィルム８０の窓部８０ｘとが、絶縁フィルム８０の窓部８０ｙと平面視において重複するように（連通するように）量子部を組み立てる。

その後、セラミックパッケージ１１０、シールリング１３０、及びリッド１４０を用意し、図５（ｂ）に示す量子部を、セラミックパッケージ１１０のキャビティ内に設けられたパッド（図示せず）に、はんだ１２０で電気的に接続する。そして、例えば、シールリング１３０を介してセラミックパッケージ１１０とリッド１４０とをシーム溶接して真空封止することで、図２に示す原子発振器１が完成する。

このように、第１の実施の形態に係る３次元構造の原子発振器では、量子部を構成する各部材を同一平面上に配置できるため、従来と同様のダイボンダーやチップマウンターを使った量産性に優れた実装が可能となる。その結果、原子発振器の製造コストを低減することができる。

又、図５（ｂ）に示す量子部の動作確認を、セラミックパッケージ１１０への実装前に行うことが可能となるため、歩留まりを向上させることができる。
〈第２の実施の形態〉
第２の実施の形態では、第１の実施の形態とは異なる支持体を用いる例を示す。なお、第２の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

図６及び図７は、第２の実施の形態に係る原子発振器の製造工程を例示する図である。図６（ａ）に示す工程では、まず、第１の実施の形態の図３（ａ）及び図３（ｂ）に示す工程と同様にして、絶縁フィルム８０（例えば、厚さ２５μｍ程度のポリイミドフィルム）を用意する。そして、絶縁フィルム８０の部材実装用のランド８１、８２、８３、及び８４上、並びに接続端子８６上の必要な部分にクリームはんだ等を印刷する。印刷後、ランド８１、８２、８３、及び８４、並びに接続端子８６に、面発光レーザ素子１０及びサーミスタ１００を実装した小型セラミックパッケージ２０、フォトダイオード７０、サーミスタ６０、ガスセル５０、並びに支持体９０Ａを配置する。なお、支持体９０Ａ（例えば、ガラス板）の所定位置には貫通電極９５が形成されている。

そして、例えば２４０〜２６０℃程度の熱処理によりクリームはんだ等を溶融後凝固させ、各ランドと各部材とを電気的に接続すると共に固定する。同時に、接続端子８６と貫通電極９５とを電気的に接続すると共に固定する。なお、ガスセル５０は、ガスセル５０の窓部５５ｘ及び５６ｘと、絶縁フィルム８０の窓部８０ｘとが、平面視において重複するように（連通するように）固定する。

次に、図６（ｂ）及び図６（ｃ）に示す工程では、絶縁フィルム８０の一方の面に、小型セラミックパッケージ２０を覆うように光学部品３０を収容したポリカーボネート製等のホルダ４０を固定する。ホルダ４０の固定には、例えば、耐熱性樹脂製接着剤等を用いることができる。なお、図６（ｂ）は絶縁フィルム８０の一方の面側を示す平面図であり、図６（ｃ）は図６（ｂ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。

次に、図５（ａ）に示す工程と同様にして、ガスセル５０側を中心として絶縁フィルム８０を巻いて３次元的に各部材を積み上げ、積み上げた各層を耐熱性の紫外線硬化樹脂等で固定し、図７に示す量子部を組み立てる。なお、ガスセル５０の窓部５５ｘ及び５６ｘと、絶縁フィルム８０の窓部８０ｘとが、絶縁フィルム８０の窓部８０ｙと平面視において重複するように（連通するように）量子部を組み立てる。以降の工程は、第１の実施の形態と同様である。

このように、第２の実施の形態では、原子発振器の量子部を構成する支持体として貫通電極を有する支持体を用いる。これにより、第１の実施の形態の奏する効果に加えて、更に以下の効果を奏する。すなわち、貫通電極を有する支持体も、小型セラミックパッケージ等の部材と同一平面上（絶縁フィルム８０の一方の面上）に配置できるため、ダイボンダーやチップマウンターを使った実装を一層効率よく行うことが可能となる。その結果、原子発振器の製造コストを一層低減することができる。
〈第３の実施の形態〉
第３の実施の形態では、小型セラミックパッケージを実装する位置を変更することで絶縁フィルムを短縮する例を示す。なお、第３の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

図８〜図１０は、第３の実施の形態に係る原子発振器の製造工程を例示する図である。まず、図８（ａ）に示す工程では、絶縁フィルム８０Ａ（例えば、厚さ２５μｍ程度のポリイミドフィルム）を用意する。絶縁フィルム８０Ａは、絶縁フィルム８０（図３（ａ）等参照）とは異なり、小型セラミックパッケージを実装するランド８１が接続端子８６に囲まれた領域に移動し、これに伴いフィルムの全長が短縮されている。当然、絶縁フィルム８０Ａに形成された配線パターン（図示せず）も短縮されている。

次に、図８（ｂ）に示す工程では、絶縁フィルム８０Ａの部材実装用のランド８１、８２、８３、及び８４上にクリームはんだ等を印刷する。印刷後、ランド８１、８２、８３、及び８４上に、面発光レーザ素子１０及びサーミスタ１００を実装した小型セラミックパッケージ２０、フォトダイオード７０、サーミスタ６０、並びにガスセル５０を配置する。そして、例えば２４０〜２６０℃程度の熱処理によりクリームはんだ等を溶融後凝固させ、各ランドと各部材とを電気的に接続すると共に固定する。なお、ガスセル５０は、ガスセル５０の窓部５５ｘ及び５６ｘと、絶縁フィルム８０の窓部８０ｘとが、平面視において重複するように（連通するように）固定する。

次に、図９（ａ）及び図９（ｂ）に示す工程では、絶縁フィルム８０Ａの一方の面に、小型セラミックパッケージ２０を覆うように光学部品３０を収容したポリカーボネート製等のホルダ４０を固定する。又、絶縁フィルム８０Ａの他方の面の左端に支持体９０Ａを固定する。支持体９０Ａの真上に面発光レーザ素子１０及びサーミスタ１００を実装した小型セラミックパッケージ２０が配置されるので、支持体９０Ａと面発光レーザ素子１０や他の部材との配線を短縮できる。ホルダ４０や支持体９０Ａの固定には、例えば、耐熱性樹脂製接着剤等を用いることができる。なお、図９（ａ）は絶縁フィルム８０の一方の面側を示す平面図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。

次に、図５（ａ）に示す工程と同様にして、ガスセル５０側を中心として絶縁フィルム８０Ａを巻いて３次元的に各部材を積み上げ、積み上げた各層を耐熱性の紫外線硬化樹脂等で固定し、図１０に示す量子部を組み立てる。なお、ガスセル５０の窓部５５ｘ及び５６ｘと、絶縁フィルム８０の窓部８０ｘとが、絶縁フィルム８０の窓部８０ｙと平面視において重複するように（連通するように）量子部を組み立てる。以降の工程は、第１の実施の形態と同様である。

このように、第３の実施の形態では、小型セラミックパッケージを実装する位置を変更することで絶縁フィルムを短縮する。これにより、第１及び第２の実施の形態の奏する効果に加えて、更に以下の効果を奏する。すなわち、貫通電極を有する支持体の真上に面発光レーザ素子を実装した小型セラミックパッケージを配置することで、絶縁フィルム上の配線パターンの短縮が可能となるため、量子部の小型化及び高周波特性改善を実現できる。
〈第４の実施の形態〉
第４の実施の形態では、複数の量子部を同時に作製後、個片化する例を示す。なお、第４の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

図１１は、第４の実施の形態に係る原子発振器の製造工程を例示する図である。図１１に示す工程では、まず、絶縁フィルム８０Ｂ（例えば、厚さ２５μｍ程度のポリイミドフィルム）を用意する。絶縁フィルム８０Ｂは、図３（ａ）等に示した絶縁フィルム８０と同様に複数の部材が一の方向（一列）に並ぶよう形成された部材実装用のランドが、一の方向と直交する方向に複数（図１１の例では五列）並べられたシート状の絶縁フィルムである。

そして、絶縁フィルム８０Ｂの各列に小型セラミックパッケージ２０、フォトダイオード７０、サーミスタ６０、並びにガスセル５０を配置後、熱処理して固定する。その後、絶縁フィルム８０Ｂの一方の面にホルダ４０を、他方の面に支持体９０を固定する。

次に、図５（ａ）に示す工程と同様にして、ガスセル５０側を中心として絶縁フィルム８０Ｂを巻いて３次元的に各部材を積み上げ、積み上げた各層を耐熱性の紫外線硬化樹脂等で固定して絶縁フィルム８０Ｂで連結された複数の量子部を組み立てる。最後に、複数の量子部を個別に分離（個片化）して、図５（ｂ）と同様の量子部を複数個（この場合は５個）作製する。以降の工程は、第１の実施の形態と同様である。

このように、第４の実施の形態では、１枚のシート状の絶縁フィルムに複数の量子部を同時に作製後、複数の量子部を個別に分離（個片化）する。そのため、量子部の量産化が一層容易であり、製造コストの一層の低減が可能となる。
〈第５の実施の形態〉
第５の実施の形態では、量子部を組み立てる際に用いる目印を絶縁フィルムに設ける例を示す。なお、第５の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

図１２は、第５の実施の形態に係る原子発振器の製造工程を例示する図である。図１２に示す工程では、図１２（ａ）に示す絶縁フィルム又は図１２（ｂ）に示す絶縁フィルムの何れかを用意する。図１２（ａ）では、図３（ａ）等に示す絶縁フィルム８０の各部材を配置する位置の近傍であって、量子部を組み立てた後に励起光の進行方向上の重なる位置に、位置合わせ用の孔８０ｚが追加されている。又、図１２（ｂ）では、図３（ａ）等に示す絶縁フィルム８０の各部材を配置する位置の近傍であって、量子部を組み立てた後に励起光の進行方向上の重なる位置に、位置合わせ用のマーク８９が追加されている。マーク８９は、例えば、配線パターン８５等と同時に形成することができる。

なお、孔８０ｚやマーク８９は、円形、楕円形、矩形、十字等の任意の形状とすることができる。その後、第１の実施の形態と同様の工程により、量子部を含む原子発振器を製造できる。但し、量子部を組み立てる際に、絶縁フィルムに設けられた孔又はマークをもとに位置合わせを行う。

このように、第５の実施の形態では、絶縁フィルムに位置合わせ用の孔又はマークを設け、量子部を組み立てる際に、絶縁フィルムに設けられた孔又はマークをもとに位置合わせを行うことで、３次元的な構造を精度よく製造することが可能となる。
〈第６の実施の形態〉
第６の実施の形態では、略Ｔ字状の絶縁フィルムを用いる例を示す。なお、第６の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

図１３は、第６の実施の形態に係る原子発振器の製造工程を例示する図である。図１３に示す工程では、まず、絶縁フィルム８０Ｃ（例えば、厚さ２５μｍ程度のポリイミドフィルム）を用意する。

絶縁フィルム８０Ｃは略Ｔ字状であって、部材実装用のランド８１、８２、８３、及び８４、配線パターン８５、並びに接続端子８６が形成されている。又、絶縁フィルム８０Ｃには、窓部となる貫通孔８０ｘ及び８０ｙが形成されている。部材実装用のランド８１、８２、８３、及び８４、並びに接続端子８６は、配線パターン８５と電気的に接続されている。

ランド８１、８２、８３、及び８４は、各ランド上に実装される複数の部材が略Ｔ字状に並ぶように形成されている。言い換えれば、ランド８１、８２、８３、及び８４は、絶縁フィルム８０Ｃを折りたたんで又は巻いて量子部を組み立てたときに、各ランドに実装された各部材が励起光の進行方向に一列に並ぶように配置されている。

そして、絶縁フィルム８０Ｃの部材実装用のランド８１、８２、８３、及び８４上にクリームはんだ等を印刷する。印刷後、ランド８１、８２、８３、及び８４に、面発光レーザ素子１０及びサーミスタ１００を実装した小型セラミックパッケージ２０、フォトダイオード７０、サーミスタ６０、ガスセル５０を配置する。そして、例えば２４０〜２６０℃程度の熱処理によりクリームはんだ等を溶融後凝固させ、各ランドと各部材とを電気的に接続すると共に固定する。

図１３に示す工程の後、絶縁フィルム８０Ｃの一方の面に、小型セラミックパッケージ２０を覆うように光学部品３０を収容したポリカーボネート製等のホルダ４０を固定する。又、絶縁フィルム８０Ｃの他方の面に支持体９０を固定する。その後、絶縁フィルム８０Ｃを中央（小型セラミックパッケージ２０側）に折りたたんで固定することで量子部が完成する。

このように、第６の実施の形態では、短冊状の絶縁フィルムに代えて略Ｔ字状の絶縁フィルムを用いることで、各部材への配線を短縮することが可能となる。

但し、ランド８１、８２、８３、及び８４を、各ランド上に実装される複数の部材が略十字状又は放射状に並ぶように形成された絶縁フィルムを用いてもよい。この場合にも、ランド８１、８２、８３、及び８４は、絶縁フィルムを折りたたんで又は巻いて量子部を組み立てたときに、各ランドに実装された各部材が励起光の進行方向に一列に並ぶように配置される。
〈第７の実施の形態〉
第７の実施の形態では、絶縁フィルム上に補強部材を設ける例を示す。なお、第７の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

図１４及び図１５は、第７の実施の形態に係る原子発振器の製造工程を例示する図である。図１４（ａ）及び図１４（ｂ）に示す工程では、まず、絶縁フィルム８０Ａ（例えば、厚さ２５μｍ程度のポリイミドフィルム）を用意する。なお、図１４（ａ）は絶縁フィルム８０Ａの一方の面側を示す平面図であり、図１４（ｂ）は図１４（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。

そして、絶縁フィルム８０Ａの部材実装用のランド８１、８２、８３、及び８４上にクリームはんだ等を印刷する。印刷後、ランド８１、８２、８３、及び８４に、面発光レーザ素子１０及びサーミスタ１００を実装した小型セラミックパッケージ２０、フォトダイオード７０、サーミスタ６０、ガスセル５０を配置する。そして、例えば２４０〜２６０℃程度の熱処理によりクリームはんだ等を溶融後凝固させ、各ランドと各部材とを電気的に接続すると共に固定する。

次に、絶縁フィルム８０Ａの一方の面に、小型セラミックパッケージ２０を覆うように光学部品３０を収容したポリカーボネート製等のホルダ４０を固定する。又、絶縁フィルム８０Ａの一方の面に、ホルダ４０を囲むように、例えば枠状の補強部材１５０を固定する。補強部材１５０の材料としては、耐熱性の樹脂や金属（例えば、アルミニウム）等を用いることができる。なお、本実施の形態では、支持体は用いない。

次に、図１５（ａ）に示す工程では、図５（ａ）に示す工程と同様にして、ガスセル５０側を中心として絶縁フィルム８０Ａを巻いて３次元的に各部材を積み上げ、積み上げた各層を耐熱性の紫外線硬化樹脂等で固定し、量子部を組み立てる。以降の工程は、第１の実施の形態と同様である。

なお、図１５（ａ）の部分拡大図である図１５（ｂ）に示すように、絶縁フィルム８０Ａの所定位置には、一方の面から他方の面に貫通する導体８７が設けられている。絶縁フィルム８０Ａの所定位置は、例えば、補強部材１５０の下側とすることができる。導体８７は、支持体９０の貫通電極９５（図９（ｂ）等参照）と同様に機能するため、本実施の形態では、貫通電極を有する支持体を用いなくてもよい。

このように、第７の実施の形態では、表面から裏面に貫通する導体が設けられた絶縁フィルムを用いることで、貫通電極を有する支持体を削除することが可能となる。その際、ホルダを囲むように補強部材を固定することで、強度を確保することができる。
〈第８の実施の形態〉
第８の実施の形態では、フォトダイオードを絶縁フィルムの他方の面に固定する例を示す。なお、第８の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

図１６は、第８の実施の形態に係る原子発振器の製造工程を例示する図である。図１６（ａ）に示す工程では、まず、絶縁フィルム８０Ｄ（例えば、厚さ２５μｍ程度のポリイミドフィルム）を用意する。

そして、絶縁フィルム８０Ｄの部材実装用のランド８１、８３、及び８４上にクリームはんだ等を印刷する。次に、絶縁フィルム８０Ｄを上下反転させ、ランド８２上にクリームはんだ等を印刷する。印刷後、ランド８１、８３、及び８４に、面発光レーザ素子１０及びサーミスタ１００を実装した小型セラミックパッケージ２０、サーミスタ６０、ガスセル５０を配置する。次に、絶縁フィルム８０Ｄを上下反転させ、ランド８２にフォトダイオード７０を配置する。そして、例えば２４０〜２６０℃程度の熱処理によりクリームはんだ等を溶融後凝固させ、各ランドと各部材とを電気的に接続すると共に固定する。

絶縁フィルム８０Ｄでは、フォトダイオード７０を実装するランド８２が他方の面に設けられている。そのため、ガスセル５０の窓部５５ｘ及び５６ｘと、絶縁フィルム８０Ｄの窓部８０ｘとが、平面視において重複するように（連通するように）固定され、連通する窓部内にフォトダイオード７０の受光面が露出する。但し、本実施の形態では、フォトダイオード７０として、受光面側にカソード及びアノードを有するフォトダイオードを用いる必要がある。

次に、絶縁フィルム８０Ｄの一方の面に、小型セラミックパッケージ２０を覆うように光学部品３０を収容したポリカーボネート製等のホルダ４０を固定する。又、絶縁フィルム８０Ｄの一方の面に、ホルダ４０を囲むように、例えば枠状の補強部材１５０を固定する。補強部材１５０の材料としては、耐熱性の樹脂や金属（例えば、アルミニウム）等を用いることができる。なお、本実施の形態では、支持体は用いない。

次に、図１６（ｂ）に示す工程では、ホルダ４０とガスセル５０が内側となるように絶縁フィルム８０Ｄを折りたたんで３次元的に各部材を積み上げ、積み上げた各層を耐熱性の紫外線硬化樹脂等で固定し、量子部を組み立てる。以降の工程は、第１の実施の形態と同様である。なお、図１５（ｂ）と同様に、絶縁フィルム８０Ｄの所定位置には、表面から裏面に貫通する導体８７が設けられている。導体８７は、支持体９０の貫通電極９５（図９（ｂ）等参照）と同様に機能するため、本実施の形態では、貫通電極を有する支持体を用いなくてもよい。

このように、第８の実施の形態では、表面から裏面に貫通する導体が設けられた絶縁フィルムを用いることで、貫通電極を有する支持体を削除することが可能となる。又、ホルダを囲むように補強部材を固定することで、強度を確保することができる。又、ガスセルとフォトダイオードとが絶縁フィルムの表裏面に平面視で重複するように配置され、絶縁フィルム上の配線パターンの短縮が可能となるため、量子部の小型化及び高周波特性改善を実現できる。
〈第９の実施の形態〉
第９の実施の形態では、小型セラミックパッケージに内蔵していたヒータ、及びガスセルに設けられていたヒータを絶縁フィルムの表面に形成するとともに、小型セラミックパッケージを介さずに面発光レーザ素子を絶縁フィルムの一方の面に直接実装する例を示す。つまり、本実施の形態では、小型セラミックパッケージは用いず、又、ガスセルにはヒータが設けられていない。なお、第９の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

図１７及び図１８は、第９の実施の形態に係る原子発振器の製造工程を例示する図である。なお、図１７（ａ）及び図１７（ｂ）は絶縁フィルム８０Ｅの一方の面側を示す平面図であり、図１８は３次元的に各部材を積み上げた後の断面図である。図１７において、破線は、絶縁フィルム８０Ｅの他方の面側にあることを示している。

まず、図１７（ａ）に示す工程では、絶縁フィルム８０Ｅ（例えば、厚さ２５μｍ程度のポリイミドフィルム）を用意する。絶縁フィルム８０Ｅは、面発光レーザ素子１０を加熱するヒータ２６と、ガスセル５０を加熱するヒータ５９Ａ及び５９Ｂを内在している。

具体的には、絶縁フィルム８０Ｅの一方の面に、窓部となる貫通孔８０ｘを略周回するようにヒータ５９Ａが形成され、窓部となる貫通孔８０ｙを略周回するようにヒータ５９Ｂが形成されている。ヒータ５９Ａの一端とヒータ５９Ｂの一端は接続され、両者の接続部は、更に、接続端子８６と接続されている。又、ヒータ５９Ａの他端とヒータ５９Ｂの他端は接続され、両者の接続部は、更に、接続端子８６と接続されている。

又、絶縁フィルム８０Ｅの他方の面に、面発光レーザ素子１０が実装される領域の裏側を略周回するようにヒータ２６が形成されている。ヒータ２６の一端及び他端は、接続端子８６と接続されている。

ヒータ５９Ａ及び５９Ｂ、並びにヒータ２６は、例えば、比較的抵抗率の高い金属材料から形成できる。例えば、ヒータ５９Ａ及び５９Ｂとヒータ２６の何れか一方又は双方を、白金で形成してもよい。ヒータ５９Ａ及び５９Ｂ、並びにヒータ２６は、例えば、スパッタ法により形成できる。ヒータ５９Ａ及び５９Ｂ、並びにヒータ２６を覆うように、絶縁材料からなる保護層を設けてもよい。

なお、絶縁フィルム８０Ｅには、絶縁フィルム８０Ａ（図９（ａ）等参照）とは異なり、部材実装用のランド８１、８３、及び８４が形成されていない。本実施の形態では、絶縁フィルム８０Ｅがヒータ２６を内在しているため、ヒータ２５を内蔵する小型セラミックパッケージ２０を実装しないからである。又、本実施の形態では、絶縁フィルム８０Ｅがヒータ５９Ａ及び５９Ｂを内在しているため、ガスセル５０には加熱用ヒータ５８が設けられていないからである。更に、ヒータ５９Ａ及び５９Ｂを白金から形成することで、白金の抵抗温度係数を使った温度検知が可能となり、サーミスタ６０を実装する必要がないからである。

次に、図１７（ｂ）に示す工程では、絶縁フィルム８０Ｅの部材実装用のランド８２上にクリームはんだ等を印刷する。印刷後、ランド８２上に、フォトダイオード７０を配置する。そして、例えば２４０〜２６０℃程度の熱処理によりクリームはんだ等を溶融後凝固させ、ランド８２とフォトダイオード７０とを電気的に接続すると共に固定する。

又、面発光レーザ素子１０及びガスセル５０を絶縁フィルム８０Ｅの一方の面に固定する（電気的には接続しない）。面発光レーザ素子１０やガスセル５０の固定には、例えば、耐熱性樹脂製接着剤等を用いることができる。なお、面発光レーザ素子１０は、他の実施の形態とは異なり、小型セラミックパッケージ２０を介さずに、絶縁フィルム８０Ｅの一方の面に直接固定する。又、ガスセル５０は、ガスセル５０の窓部５５ｘ及び５６ｘと、絶縁フィルム８０の窓部８０ｘとが、平面視において重複するように（連通するように）固定する。

そして、面発光レーザ素子１０の端子と配線パターン８５の端部とを金ワイヤ等の金属線２９によりボンディングし、電気的に接続する。その後、絶縁フィルム８０Ｅの一方の面に、面発光レーザ素子１０を覆うように光学部品３０を収容したポリカーボネート製等のホルダ４０を固定する。又、絶縁フィルム８０Ｅの他方の面の左端に支持体９０Ａを固定する。支持体９０Ａの真上に面発光レーザ素子１０が配置されるので、支持体９０Ａと面発光レーザ素子１０や他の部材との配線を短縮できる。ホルダ４０や支持体９０Ａの固定には、例えば、耐熱性樹脂製接着剤等を用いることができる。

次に、図５（ａ）に示す工程と同様にして、ガスセル５０側を中心として絶縁フィルム８０Ｅを巻いて３次元的に各部材を積み上げ、積み上げた各層を耐熱性の紫外線硬化樹脂等で固定し、図１８に示す量子部を組み立てる。なお、ガスセル５０の窓部５５ｘ及び５６ｘと、絶縁フィルム８０の窓部８０ｘとが、絶縁フィルム８０の窓部８０ｙと平面視において重複するように（連通するように）量子部を組み立てる。以降の工程は、第１の実施の形態と同様である。

このように、第９の実施の形態では、他の実施の形態において小型セラミックパッケージ２０に内蔵していたヒータ、及びガスセル５０に設けていたヒータを絶縁フィルム８０Ｅの表面に形成する。又、面発光レーザ素子１０を、小型セラミックパッケージ２０を介さずに、絶縁フィルム８０Ｅの一方の面に直接実装する。その結果、他の実施の形態と比較して、量子部の小型化を実現することができる。

又、他の実施の形態のように、ガスセル５０にヒータを設けた場合には、ガスセル５０に設けたヒータを絶縁フィルムのランドと電気的に接続する必要がある。本実施の形態では、絶縁フィルム８０Ｅにヒータを形成したため、絶縁フィルム８０Ｅとガスセル５０とは接着するだけでよく、電気的に接続しなくてもよいため、工程が単純化される利点がある。

更に、ヒータ５９Ａ及び５９Ｂとヒータ２６の何れか一方又は双方を白金から形成することで、白金の抵抗温度係数を使った温度検知が可能となるため、サーミスタ６０や１００を不要とすることができ、更なる小型化を実現することができる。

以上、好ましい実施の形態について詳説したが、上述した実施の形態に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に種々の変形及び置換を加えることができる。

１１ 原子発振器
１０ 面発光レーザ素子
２０ 小型セラミックパッケージ
２５ ヒータ
３０ 光学部品
４０ ホルダ
４０ｘ、５５ｘ、５６ｘ、８０ｘ、８０ｙ 窓部
５０ ガスセル
５５、５６ ガラス板
５８ 加熱用ヒータ
８０ｚ 孔
６０、１００ サーミスタ
７０ フォトダイオード
８０、８０Ａ、８０Ｂ、８０Ｃ、８０Ｄ 絶縁フィルム
８１、８２、８３、８４ ランド
８５ 配線パターン
８６ 接続端子
８７ 導体
８９ マーク
９０、９０Ａ 支持体
９５ 貫通電極
１１０ セラミックパッケージ
１２０ はんだ
１３０ シールリング
１４０ リッド
１５０ 補強部材

米国特許第６８０６７８４号明細書 米国特許出願公開第２００５／０００７１１８号明細書 特開２００９−２１２４１６号公報 特開２００９−２８３５２６号公報 特開２０１１−２３７４０１号公報 特表２００８−５２０９５８号公報

Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．８５，ｐｐ．１４６０−１４６２ （２００４） Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ， ｖｏｌ．３，ｐｐ．５７１−６１２

Claims (12)

1. ガスセルと複数の部材とを有する原子発振器であって、
   前記複数の部材は、
   前記ガスセルの温度制御装置と、
   前記ガスセルに封入された原子を励起する励起光源と、
   前記励起光源の温度制御装置と、
   前記ガスセルを透過した励起光を検出する受光素子と、を含み、
   前記複数の部材は、配線パターンを有する絶縁フィルムに接続されていることを特徴とする原子発振器。
2. 前記励起光源の出射面と、前記ガスセルにおける前記励起光の進行方向に垂直な面と、前記受光素子の受光面と、が同一の光路上に位置し、
   前記絶縁フィルムの少なくとも一部は、前記励起光源、前記ガスセル、及び前記受光素子の何れかに直接又は間接に挟まれることを特徴とする請求項１記載の原子発振器。
3. 前記絶縁フィルムにおける前記励起光の通過する領域は、前記励起光を透過する窓部を有することを特徴とする請求項１又は２記載の原子発振器。
4. 前記絶縁フィルムは、一方の面から他方の面に貫通する導体を有することを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項記載の原子発振器。
5. 前記絶縁フィルムは、前記励起光の進行方向上の重なる位置に孔又はマークを有することを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項記載の原子発振器。
6. 前記絶縁フィルムは、前記励起光源の温度制御装置と前記ガスセルの温度制御装置を内在していることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項記載の原子発振器。
7. 前記励起光源の温度制御装置と前記ガスセルの温度制御装置の少なくとも一方は白金で形成されていることを特徴とする請求項６記載の原子発振器。
8. 前記配線パターンと接続された部材実装用のランドは、前記複数の部材が一列に並ぶように形成されていることを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項記載の原子発振器。
9. 前記配線パターンと接続された部材実装用のランドは、前記複数の部材が放射状、Ｔ字状、又は十字状に並ぶように形成されていることを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項記載の原子発振器。
10. 原子発振器の製造方法であって、
    配線パターンを有する絶縁フィルムに、原子発振器の量子部を構成する複数の部材を接続して配置する第１の工程と、
    前記絶縁フィルムを折りたたんで又は巻いて、前記量子部を組み立てる第２の工程と、
    前記量子部をパッケージに電気的に接続して封止する第３の工程と、を含む原子発振器の製造方法。
11. 原子発振器の製造方法であって、
    原子発振器の量子部を構成する複数の部材が一の方向に並ぶよう形成された部材実装用のランドが前記一の方向と直交する方向に複数並べられたシート状の絶縁フィルムに、前記複数の部材を接続して配置する第１の工程と、
    前記絶縁フィルムを折りたたんで又は巻いて、前記絶縁フィルムで連結された複数の量子部を組み立てる第２の工程と、
    前記複数の量子部を個別に分離する第３の工程と、
    各々の前記量子部をパッケージに電気的に接続して封止する第４の工程と、を含む原子発振器の製造方法。
12. 前記第２の工程において、前記絶縁フィルムに設けられた孔又はマークをもとに位置合わせを行う請求項１０又は１１記載の原子発振器の製造方法。