JP2015231053A - 原子セル、量子干渉装置、原子発振器、電子機器および移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】周波数安定度を向上させることができる原子セルを提供すること、また、かかる原子セルを備える量子干渉装置、原子発振器、電子機器および移動体を提供すること。
【解決手段】本発明のガスセル２は、アルカリ金属と、１対の窓部２２、２３と、１対の窓部２２、２３の間に配置されていて、気体状のアルカリ金属が封入されている内部空間Ｓを１対の窓部２２、２３とともに構成している胴体部２１と、内部空間Ｓの一部を構成または内部空間Ｓに連通している空間であって、液体状または固体状のアルカリ金属Ｍが配置されている凹部２１２内の空間と、を備え、凹部２１２内の空間と外部との間の壁部である底部２１５は、窓部２２、２３よりも厚さが薄い。
【選択図】図５

Description

本発明は、原子セル、量子干渉装置、原子発振器、電子機器および移動体に関するものである。

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の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。

一般に、原子発振器の動作原理は、光およびマイクロ波による二重共鳴現象を利用した方式と、波長の異なる２種類の光による量子干渉効果（ＣＰＴ：Coherent Population Trapping）を利用した方式とに大別される。

いずれの方式の原子発振器においても、通常、アルカリ金属をガスセル（原子セル）内に封入し、そのアルカリ金属を一定のガス状態に保つために、ガスセルをヒーターにより所定温度に加熱する。

また、例えば、特許文献１に開示されているように、一般に、ガスセル内には、アルカリ金属が経時的に減少する量を見込んで、余剰のアルカリ金属が封入されている。このような余剰分のアルカリ金属は、ガスセルの温度の低い部分に析出（結露）することにより液体として存在する。

しかし、従来では、余剰のアルカリ金属が励起光の通過領域に付着し、アルカリ金属に照射される励起光の量がばらついたり低下したりすることによって、周波数が変動してしまい、その結果、周波数安定度が低下してしまうという問題があった。特に、近年の原子発振器等の小型化の要請に伴って、原子セルが小型になると、励起光透過領域とそれ以外の領域との間の温度差が小さくなり、励起光通過領域にアルカリ金属が付着しやすくなるため、かかる問題が顕著となる。

特開２０１３−３８３８２号公報

本発明の目的は、周波数安定度を向上させることができる原子セルを提供すること、また、かかる原子セルを備える量子干渉装置、原子発振器、電子機器および移動体を提供することにある。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
本発明の原子セルは、金属と、
１対の窓部と、
前記１対の窓部の間に配置されていて、気体状の前記金属が封入されている内部空間を前記１対の窓部とともに構成している胴体部と、
前記内部空間の一部を構成または前記内部空間に連通している空間であって、液体状または固体状の前記金属が配置されている金属溜り部と、
を備え、
前記金属溜り部を構成している前記空間と外部との間の壁部は、前記窓部よりも厚さが薄い薄肉部を有することを特徴とする。

このような原子セルによれば、金属溜り部を構成している空間（領域）と外部との間の壁部に設けられた薄肉部の厚さが窓部の厚さよりも薄いため、窓部に比べて薄肉部が放熱または冷却されやすくなる。したがって、窓部の内表面上に比べて、薄肉部の内表面上に余剰の金属を液体状または固体状として凝結させやすくすることができる。そのため、原子セルの小型化を図っても、窓部の内表面上に余剰の金属が凝結することを低減しつつ、薄肉部の内表面上に選択的かつ効率的に余剰の金属を凝結させることができ、その結果、周波数安定度を向上させることができる。

［適用例２］
本発明の原子セルでは、前記窓部を含み、前記胴体部に積層されている基板を備えており、
前記基板の厚さ方向から見たときに前記金属溜り部に重なる位置に配置されていて、前記基板に開口している凹部を有することが好ましい。

これにより、原子セルの窓部側に薄肉部を配置することができる。また、このような胴体部および基板を含む構造体は、エッチングを用いて簡単かつ高精度に形成することができる。そのため、原子セルの小型化を容易に図ることができる。

［適用例３］
本発明の原子セルでは、前記凹部は、前記基板を貫通していることが好ましい。

これにより、薄肉部が胴体部の構成材料で構成することができる。そのため、胴体部の構成材料として窓部の構成材料よりも熱伝導性に優れた材料を選択して用いることにより、薄肉部の放熱性を向上させることができる。

［適用例４］
本発明の原子セルでは、前記胴体部は、シリコンを含んで構成されていることが好ましい。

シリコンは、エッチングによる微細加工が可能である。したがって、原子セルの小型化を図っても、胴体部を簡単かつ高精度に形成することができる。また、一般に、窓部はガラスで構成されるが、シリコンはガラスに比べて熱伝導性に優れている。したがって、薄肉部の放熱性を優れたものとすることができる。また、窓部がガラスで構成されている場合、胴体部と窓部とを陽極接合により簡単に気密的に接合することができ、原子セルの信頼性を優れたものとすることができる。

［適用例５］
本発明の原子セルでは、前記基板は、ガラスを含んで構成されていることが好ましい。

これにより、励起光に対する透過性を有する窓部を実現することができる。また、胴体部がシリコンで構成されている場合、胴体部と窓部とを陽極接合により簡単に気密的に接合することができ、原子セルの信頼性を優れたものとすることができる。

［適用例６］
本発明の原子セルでは、前記胴体部と前記基板とが直接接合または陽極接合されていることが好ましい。

これにより、胴体部と窓部とを簡単に気密的に接合することができ、原子セルの信頼性を優れたものとすることができる。

［適用例７］
本発明の原子セルでは、前記薄肉部を冷却する冷却手段を備えることが好ましい。
これにより、薄肉部をより効率的に放熱または冷却することができる。

［適用例８］
本発明の量子干渉装置は、本発明の原子セルを備えることを特徴とする。
これにより、優れた周波数安定度を有する量子干渉装置を提供することができる。

［適用例９］
本発明の原子発振器は、本発明の原子セルを備えることを特徴とする。
これにより、優れた周波数安定度を有する原子発振器を提供することができる。

［適用例１０］
本発明の電子機器は、本発明の原子セルを備えることを特徴とする。

これにより、周波数安定度を向上させることができる原子セルを備える電子機器を提供することができる。

［適用例１１］
本発明の移動体は、本発明の原子セルを備えることを特徴とする。

これにより、周波数安定度を向上させることができる原子セルを備える移動体を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る原子発振器（量子干渉装置）を示す概略図である。 アルカリ金属のエネルギー状態を説明するための図である。 光出射部から出射される２つの光の周波数差と、光検出部で検出される光の強度との関係を示すグラフである。 （ａ）は、図１に示す原子発振器が備える原子セルの斜視図、（ｂ）は、（ａ）に示す原子セルの分解斜視図である。 （ａ）は、図４に示す原子セルの横断面図、（ｂ）は、図４に示す原子セルの縦断面図である。 （ａ）は、本発明の第２実施形態に係る原子セルの縦断面図、（ｂ）は、（ａ）に示す原子セルの横断面図である。 （ａ）は、本発明の第３実施形態に係る原子セルの縦断面図、（ｂ）は、（ａ）に示す原子セルの横断面図である。 （ａ）は、本発明の第４実施形態に係る原子セルの斜視図、（ｂ）は、（ａ）に示す原子セルの縦断面図である。 本発明の第５実施形態に係る原子セルの縦断面図である。 ＧＰＳ衛星を利用した測位システムに本発明の原子発振器を用いた場合の概略構成を示す図である。 本発明の移動体の一例を示す図である。

以下、本発明の原子セル、量子干渉装置、原子発振器、電子機器および移動体を添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。

１．原子発振器（量子干渉装置）
まず、本発明の原子発振器（本発明の量子干渉装置を備える原子発振器）について説明する。なお、以下では、本発明の量子干渉装置を原子発振器に適用した例を説明するが、本発明の量子干渉装置は、これに限定されず、原子発振器の他、例えば、磁気センサー、量子メモリー等にも適用可能である。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る原子発振器（量子干渉装置）を示す概略図である。また、図２は、アルカリ金属のエネルギー状態を説明するための図、図３は、光出射部から出射される２つの光の周波数差と、光検出部で検出される光の強度との関係を示すグラフである。

図１に示す原子発振器１は、量子干渉効果を利用した原子発振器である。この原子発振器１は、図１に示すように、ガスセル２（原子セル）と、光出射部３と、光学部品４１、４２、４３、４４と、光検出部５と、ヒーター６と、温度センサー７と、磁場発生部８と、制御部１０とを備える。

まず、原子発振器１の原理を簡単に説明する。
図１に示すように、原子発振器１では、光出射部３がガスセル２に向けて励起光ＬＬを出射し、ガスセル２を透過した励起光ＬＬを光検出部５が検出する。

ガスセル２内には、ガス状のアルカリ金属（金属原子）が封入されており、アルカリ金属は、図２に示すように、３準位系のエネルギー準位を有し、エネルギー準位の異なる２つの基底状態（基底状態１、２）と、励起状態との３つの状態をとり得る。ここで、基底状態１は、基底状態２よりも低いエネルギー状態である。

光出射部３から出射された励起光ＬＬは、周波数の異なる２種の共鳴光１、２を含んでおり、この２種の共鳴光１、２を前述したようなガス状のアルカリ金属に照射したとき、共鳴光１の周波数ω１と共鳴光２の周波数ω２との差（ω１−ω２）に応じて、共鳴光１、２のアルカリ金属における光吸収率（光透過率）が変化する。

そして、共鳴光１の周波数ω１と共鳴光２の周波数ω２との差（ω１−ω２）が基底状態１と基底状態２とのエネルギー差に相当する周波数に一致したとき、基底状態１、２から励起状態への励起がそれぞれ停止する。このとき、共鳴光１、２は、いずれも、アルカリ金属に吸収されずに透過する。このような現象をＣＰＴ現象または電磁誘起透明化現象（ＥＩＴ：Electromagnetically Induced Transparency）と呼ぶ。

例えば、光出射部３が共鳴光１の周波数ω１を固定し、共鳴光２の周波数ω２を変化させていくと、共鳴光１の周波数ω１と共鳴光２の周波数ω２との差（ω１−ω２）が基底状態１と基底状態２とのエネルギー差に相当する周波数ω０に一致したとき、光検出部５の検出強度は、図３に示すように、急峻に上昇する。このような急峻な信号をＥＩＴ信号として検出する。このＥＩＴ信号は、アルカリ金属の種類によって決まった固有値をもっている。したがって、このようなＥＩＴ信号を用いることにより、発振器を構成することができる。

以下、原子発振器１の各部を順次詳細に説明する。
［ガスセル］
ガスセル２内には、ガス状のルビジウム、セシウム、ナトリウム等のアルカリ金属が封入されている。また、ガスセル２内には、必要に応じて、アルゴン、ネオン等の希ガス、窒素等の不活性ガスが緩衝ガスとしてアルカリ金属ガスとともに封入されていてもよい。

後に詳述するが、ガスセル２は、貫通孔を有する胴部と、この胴部の貫通孔の開口を塞ぐ１対の窓部とを有し、これにより、気体状のアルカリ金属が封入される内部空間が形成さている。

［光出射部］
光出射部３（光源）は、ガスセル２中のアルカリ金属原子を励起する励起光ＬＬを出射する機能を有する。

より具体的には、光出射部３は、励起光ＬＬとして、前述したような周波数の異なる２種の光を出射するものであり、特に、前述した共鳴光１および共鳴光２を出射し得る。共鳴光１は、ガスセル２内のアルカリ金属を前述した基底状態１から励起状態へ励起（共鳴）し得るものである。一方、共鳴光２は、ガスセル２内のアルカリ金属を前述した基底状態２から励起状態へ励起（共鳴）し得るものである。

この光出射部３としては、前述したような励起光を出射し得るものであれば、特に限定されないが、例えば、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）等の半導体レーザー等を用いることができる。

なお、光出射部３は、図示しない温度調節素子（発熱抵抗体、ペルチェ素子等）により、所定温度に温度調節される。

［光学部品］
複数の光学部品４１、４２、４３、４４は、それぞれ、前述した光出射部３とガスセル２との間における励起光ＬＬの光路上に設けられている。ここで、光出射部３側からガスセル２側へ、光学部品４１、光学部品４２、光学部品４３、光学部品４４の順に配置されている。

光学部品４１は、レンズである。これにより、励起光ＬＬを無駄なくガスセル２へ照射することができる。

また、光学部品４１は、励起光ＬＬを平行光とする機能を有する。これにより、励起光ＬＬがガスセル２の内壁で反射することを簡単に防止することができる。そのため、ガスセル２内での励起光の共鳴を好適に生じさせ、その結果、原子発振器１の発振特性を高めることができる。

光学部品４２は、偏光板である。これにより、光出射部３からの励起光ＬＬの偏光を所定方向に調整することができる。

光学部品４３は、減光フィルター（ＮＤフィルター）である。これにより、ガスセル２に入射する励起光ＬＬの強度を調整（減少）させることができる。そのため、光出射部３の出力が大きい場合でも、ガスセル２に入射する励起光を所望の光量とすることができる。本実施形態では、前述した光学部品４２を通過した所定方向の偏光を有する励起光ＬＬの強度を光学部品４３により調整する。

光学部品４４は、λ／４波長板である。これにより、光出射部３からの励起光ＬＬを直線偏光から円偏光（右円偏光または左円偏光）に変換することができる。

後述するように磁場発生部８の磁場によりガスセル２内のアルカリ金属原子がゼーマン分裂した状態において、仮に直線偏光の励起光をアルカリ金属原子に照射すると、励起光とアルカリ金属原子との相互作用により、アルカリ金属原子がゼーマン分裂した複数の準位に均等に分散して存在することとなる。その結果、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少なくなるため、所望のＥＩＴ現象を発現する原子数が減少し、所望のＥＩＴ信号の強度が小さくなり、その結果、原子発振器１の発振特性の低下をもたらす。

これに対し、後述するように磁場発生部８の磁場によりガスセル２内のアルカリ金属原子がゼーマン分裂した状態において、円偏光の励起光をアルカリ金属原子に照射すると、励起光とアルカリ金属原子との相互作用により、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を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することができる。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信号の強度が大きくなり、その結果、原子発振器１の発振特性を向上させることができる。

［光検出部］
光検出部５は、ガスセル２内を透過した励起光ＬＬ（共鳴光１、２）の強度を検出する機能を有する。

この光検出部５としては、上述したような励起光を検出し得るものであれば、特に限定されないが、例えば、太陽電池、フォトダイオード等の光検出器（受光素子）を用いることができる。

［ヒーター］
ヒーター６（加熱部）は、前述したガスセル２（より具体的にはガスセル２中のアルカリ金属）を加熱する機能を有する。これにより、ガスセル２中のアルカリ金属を適切な濃度のガス状に維持することができる。

このヒーター６は、例えば、通電により発熱する発熱抵抗体を含んで構成されている。この発熱抵抗体は、ガスセル２に対して接触して設けられていてもよいし、ガスセル２に対して非接触で設けられていてもよい。

例えば、発熱抵抗体をガスセル２に対して接触して設ける場合、ガスセル２の１対の窓部にそれぞれ発熱抵抗体を設ける。これにより、ガスセル２の窓部にアルカリ金属原子が結露することを防止することができる。その結果、原子発振器１の特性（発振特性）を長期にわたり優れたものとすることができる。このような発熱抵抗体は、励起光に対する透過性を有する材料、具体的には、例えば、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、ＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）、Ｉｎ_３Ｏ_３、ＳｎＯ_２、Ｓｂ含有ＳｎＯ_２、Ａｌ含有ＺｎＯ等の酸化物等の透明電極材料で構成される。また、発熱抵抗体は、例えば、プラズマＣＶＤ、熱ＣＶＤのような化学蒸着法（ＣＶＤ）、真空蒸着等の乾式メッキ法、ゾル・ゲル法等を用いて形成することができる。

また、発熱抵抗体をガスセル２に対して非接触で設ける場合、熱伝導性に優れる金属等、セラミックス等の部材を介して発熱抵抗体からガスセル２へ伝熱すればよい。

なお、ヒーター６は、ガスセル２を加熱することができるものであれば、前述した形態に限定されず、各種ヒーターを用いることができる。また、ヒーター６に代えて、または、ヒーター６と併用して、ペルチェ素子を用いて、ガスセル２を加熱してもよい。

［温度センサー］
温度センサー７は、ヒーター６またはガスセル２の温度を検出するものである。そして、この温度センサー７の検出結果に基づいて、前述したヒーター６の発熱量が制御される。これにより、ガスセル２内のアルカリ金属原子を所望の温度に維持することができる。

なお、温度センサー７の設置位置は、特に限定されず、例えば、ヒーター６上であってもよいし、ガスセル２の外表面上であってもよい。

温度センサー７としては、それぞれ、特に限定されず、サーミスタ、熱電対等の公知の各種温度センサーを用いることができる。

［磁場発生部］
磁場発生部８は、ガスセル２内のアルカリ金属の縮退した複数のエネルギー準位をゼーマン分裂させる磁場を発生させる機能を有する。これにより、ゼーマン分裂により、アルカリ金属の縮退している異なるエネルギー準位間のギャップを拡げて、分解能を向上させることができる。その結果、原子発振器１の発振周波数の精度を高めることができる。

この磁場発生部８は、例えば、ガスセル２を挟むように配置されたヘルムホルツコイル、または、ガスセル２を覆うように配置されたソレノイドコイルで構成されている。これにより、ガスセル２内に一方向の均一な磁場を生じさせることができる。

また、磁場発生部８が発生する磁場は、定磁場（直流磁場）であるが、交流磁場が重畳されていてもよい。

［制御部］
制御部１０は、光出射部３、ヒーター６および磁場発生部８をそれぞれ制御する機能を有する。

この制御部１０は、光出射部３の共鳴光１、２の周波数を制御する励起光制御部１２と、ガスセル２中のアルカリ金属の温度を制御する温度制御部１１と、磁場発生部８からの磁場を制御する磁場制御部１３とを有する。

励起光制御部１２は、前述した光検出部５の検出結果に基づいて、光出射部３から出射される共鳴光１、２の周波数を制御する。より具体的には、励起光制御部１２は、前述した周波数差（ω１−ω２）が前述したアルカリ金属固有の周波数ω０となるように、光出射部３から出射される共鳴光１、２の周波数を制御する。

ここで、励起光制御部１２は、図示しないが、電圧制御型水晶発振器（発振回路）を備えており、その電圧制御型水晶発振器の発振周波数を光検出部５の検知結果に基づいて同期・調整しながら、その電圧制御型水晶発振器の出力信号を原子発振器１の出力信号として出力する。

例えば、励起光制御部１２は、図示しないが、この電圧制御型水晶発振器からの出力信号を周波数逓倍する逓倍器を備えており、この逓倍器により逓倍された信号（高周波信号）を直流バイアス電流に重畳して駆動信号として光出射部３に入力する。これにより、光検出部５でＥＩＴ信号が検出されるように電圧制御型水晶発振器を制御することで、電圧制御型水晶発振器から所望の周波数の信号が出力されることとなる。この逓倍器の逓倍率は、例えば、原子発振器１からの出力信号の所望の周波数をｆとしたとき、ω０／（２×ｆ）である。これにより、電圧制御型水晶発振器の発振周波数がｆであるとき、逓倍器からの信号を用いて、光出射部３に含まれる半導体レーザー等の発光素子を変調して、周波数差（ω１−ω２）がω０となる２つの光を出射させることができる。

また、温度制御部１１は、温度センサー７の検出結果に基づいて、ヒーター６への通電を制御する。これにより、ガスセル２を所望の温度範囲内に維持することができる。例えば、ガスセル２は、ヒーター６により、例えば、７０℃程度に温度調節される。

また、磁場制御部１３は、磁場発生部８が発生する磁場が一定となるように、磁場発生部８への通電を制御する。

このような制御部１０は、例えば、基板上に実装されたＩＣチップに設けられている。
以上、原子発振器１の構成を簡単に説明した。

（ガスセルの詳細な説明）
図４（ａ）は、図１に示す原子発振器が備える原子セルの斜視図、図４（ｂ）は、図４（ａ）に示す原子セルの分解斜視図である。図５（ａ）は、図４に示す原子セルの横断面図、図５（ｂ）は、図４に示す原子セルの縦断面図である。なお、以下では、説明の便宜上、図５（ｂ）中の上側を「上」、下側を「下」という。

図４および図５に示すように、ガスセル２は、胴体部２１と、胴体部２１を挟んで設けられた１対の窓部２２、２３とを有している。このガスセル２では、胴体部２１が１対の窓部２２、２３の間に配置されていて、気体状のアルカリ金属が封入されている内部空間Ｓを胴体部２１および１対の窓部２２、２３が区画形成（構成）している。

より具体的に説明すると、胴体部２１は、上下方向を厚さ方向とする板状をなしており、この胴体部２１には、胴体部２１の厚さ方向（上下方向）に貫通している円柱状の貫通孔２１１と、胴体部２１の下面に開口している円柱状の凹部２１２と、胴体部２１の下面に開口していて貫通孔２１１と凹部２１２とを連通させている溝２１３（凹部）と、貫通孔２１４に対して貫通孔２１１とは反対側において胴体部２１の厚さ方向に貫通している貫通孔２１４と、が形成されている。

この胴体部２１の構成材料としては、特に限定されず、ガラス材料、水晶、金属材料、樹脂材料、シリコン材料等が挙げられるが、中でも、ガラス材料、水晶、シリコン材料のいずれかを用いることが好ましく、シリコン材料を用いることがより好ましい。これにより、幅や高さが１０ｍｍ以下となるような小さいガスセル２を形成する場合であっても、エッチング等の微細加工技術を用いて、高精度な胴体部２１を容易に形成することができる。特に、シリコンは、エッチングによる微細加工が可能である。したがって、胴体部２１をシリコンを用いて構成することにより、ガスセル２の小型化を図っても、胴体部２１を簡単かつ高精度に形成することができる。また、一般に、窓部２２、２３はガラスで構成されるが、シリコンはガラスに比べて熱伝導性に優れている。したがって、後述する薄肉部である底部２１５の放熱性を優れたものとすることができる。また、窓部２２、２３がガラスで構成されている場合、胴体部２１と窓部２２、２３とを陽極接合により簡単に気密的に接合することができ、ガスセル２の信頼性を優れたものとすることができる。

このような胴体部２１の下面には、窓部２２が接合され、一方、胴体部２１の上面には、窓部２３が接合されている。これにより、貫通孔２１１、２１４の下端側開口、および凹部２１２、溝２１３の開口が窓部２２により封鎖されるとともに、貫通孔２１１、２１４の上端側開口が窓部２３により封鎖されている。

胴体部２１と窓部２２、２３との接合方法としては、これらの構成材料に応じて決められるものであり、気密的に接合できるものであれば、特に限定されないが、例えば、接着剤による接合方法、直接接合法、陽極接合法、表面活性化接合法等を用いることができるが、直接接合法または陽極接合法を用いることが好ましい。これにより、胴体部２１と窓部２２、２３とを簡単に気密的に接合することができ、ガスセル２の信頼性を優れたものとすることができる。

このような胴体部２１に接合されている各窓部２２、２３は、前述した光出射部３からの励起光に対する透過性を有している。そして、一方の窓部２２は、ガスセル２の内部空間Ｓ内へ励起光ＬＬが入射する入射側窓部であり、他方の窓部２３は、ガスセル２の内部空間Ｓ内から励起光ＬＬが出射する出射側窓部である。

また、窓部２２、２３は、それぞれ、板状をなしている。ここで、窓部２２、２３は、それぞれ、胴体部２１に積層されている「基板」を構成していると言える。

本実施形態では、窓部２３には、胴体部２１の凹部２１２に対応する位置に、窓部２３の厚さ方向に貫通する貫通孔２３１が形成されている。これにより、胴体部２１の凹部２１２の底部２１５の外表面が貫通孔２３１を介して外部に露出している。そのため、貫通孔２３１内を通じて胴体部２１の凹部２１２の底部２１５を効率的に放熱または冷却することができる。

また、本実施形態では、貫通孔２３１内は、空洞となっている。したがって、貫通孔２３１内には、ガスセル２の周囲の雰囲気と同じ状態となっている。例えば、ガスセル２が減圧雰囲気下に設置されている場合、貫通孔２３１内も減圧状態となっている。なお、貫通孔２３１内には、窓部２３を構成する材料と異なる材料が充填されていてもよく、この場合、かかる材料は、窓部２３を構成する材料よりも熱伝導率が高いことが好ましい。

窓部２２、２３（基板）の構成材料としては、前述したような励起光に対する透過性を有していれば、特に限定されず、例えば、ガラス材料、水晶等が挙げられるが、ガラス材料を用いることが好ましい。これにより、励起光に対する透過性を有する窓部２２、２３を実現することができる。また、胴体部２１がシリコンで構成されている場合、ガラスを用いて窓部２２、２３を構成することにより、胴体部２１と窓部２２、２３とを陽極接合により簡単に気密的に接合することができ、ガスセル２の信頼性を優れたものとすることができる。なお、窓部２２、２３の厚さや励起光の強度によっては、窓部２２、２３をシリコンで構成することもできる。この場合、胴体部２１と窓部２２、２３とを直接接合することができる。

このような窓部２２、２３により封鎖された貫通孔２１１内の空間である内部空間Ｓには、主に、気体状のアルカリ金属が収納されている。この内部空間Ｓ内に収納されている気体状のアルカリ金属は、励起光ＬＬによって励起される。すなわち、内部空間Ｓの少なくとも一部は、励起光ＬＬが通過する「光通過空間」を構成する。本実施形態では、内部空間Ｓの横断面は、円形をなしており、一方、光通過空間の横断面は、内部空間Ｓの横断面と相似形状（すなわち円形）をなし、かつ、内部空間Ｓの横断面よりも若干小さく設定されている。なお、内部空間Ｓの横断面形状は、円形に限定されず、例えば、四角形、五角形等の多角形、楕円形等であってもよい。

また、凹部２１２内の空間は、溝２１３内の空間を介して内部空間Ｓに連通しており、液体状または固体状のアルカリ金属Ｍが収納されている。すなわち、凹部２１２内の空間は、内部空間Ｓの一部を構成または内部空間Ｓに連通している空間であって、液体状または固体状のアルカリ金属Ｍが配置されている「金属溜り部」を構成している。

より具体的に説明すると、凹部２１２の底部２１５の内表面（溝２１３内側の面）上に液体状または固体状のアルカリ金属Ｍが配置されている。本実施形態では、凹部２１２内の空間は、円形をなしている。なお、凹部２１２内の空間の横断面形状は、円形に限定されず、例えば、四角形、五角形等の多角形、楕円形等であってもよい。

また、凹部２１２の底部２１５の厚さｔ２は、窓部２２、２３の各厚さｔ１よりも薄くなっている。ここで、底部２１５は、凹部２１２内の空間（金属溜り部を構成している空間）と外部との間の「壁部」であって、窓部２２、２３よりも厚さが薄い「薄肉部」を構成している。これにより、窓部２３の貫通孔２３１を通じて底部２１５の内表面を効率的に放熱または冷却することができる。その結果、底部２１５の内表面上に選択的に固体状または液体状のアルカリ金属Ｍを凝結させやすくすることができる。言い換えると、底部２１５の内表面上に比べて窓部２２、２３の各内表面にアルカリ金属を凝結させ難くすることができる。そのため、窓部２２、２３の各内表面にアルカリ金属が凝結することを低減することができる。

また、凹部２１２の底部２１５の厚さｔ２は、窓部２２、２３の各厚さｔ１よりも薄ければよいが、厚さｔ１に対して、０．０１以上０．８以下であることが好ましく、０．１以上０．６以下であることがより好ましく、０．２以上０．４以下であることがさらに好ましい。これにより、底部２１５に必要な機械的強度を確保しつつ、底部２１５の放熱性を優れたものとすることができる。

また、貫通孔２１４内の空間は、大気が封入されているか、または、真空（減圧）状態となっており、凹部２１２の側壁からの熱の逃げを低減する断熱部として機能する。本実施形態では、貫通孔２１４は、凹部２１２の内部空間Ｓとは反対側において、凹部２１２の側壁に沿って形成されている。

また、凹部２１２と貫通孔２１４との間の壁部の厚さは、窓部２２、２３の各厚さｔ１よりも薄くなっている。これにより、前述したように貫通孔２１４内の空間を断熱部として効果的に機能させることができる。

以上説明したように構成されているガスセル２によれば、凹部２１２内の空間（領域）と外部との間の底部２１５（壁部・薄肉部）の厚さｔ２が窓部２２、２３の厚さｔ１よりも薄いため、窓部２２、２３に比べて底部２１５が放熱または冷却されやすくなる。したがって、窓部２２、２３の内表面上に比べて、底部２１５の内表面上に余剰のアルカリ金属Ｍを液体状または固体状として凝結させやすくすることができる。そのため、ガスセル２の小型化を図っても、窓部２２、２３の内表面上に余剰のアルカリ金属が凝結することを低減しつつ、底部２１５の内表面上に選択的かつ効率的に余剰のアルカリ金属Ｍを凝結させることができ、その結果、周波数安定度を向上させることができる。

本実施形態では、胴体部２１および窓部２２、２３を含む構造体であるガスセル２には、窓部２２、２３の厚さ方向から見たときに凹部２１２内の空間（金属溜り部）に重なる位置に貫通孔２３１により形成された凹部が設けられている。これにより、ガスセル２の窓部２３側に薄肉部（底部２１５）を配置することができる。また、このようなガスセル２は、エッチングを用いて簡単かつ高精度に形成することができる。そのため、ガスセル２の小型化を容易に図ることができる。

また、上述した貫通孔２３１により形成された凹部が窓部２３（基板）を貫通しているため、薄肉部（底部２１５）を胴体部２１の構成材料で構成することができる。そのため、胴体部２１の構成材料として窓部２２の構成材料よりも熱伝導性に優れた材料を選択して用いることにより、薄肉部の放熱性を向上させることができる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について説明する。

図６（ａ）は、本発明の第２実施形態に係る原子セルの縦断面図、図６（ｂ）は、図６（ａ）に示す原子セルの横断面図である。

本実施形態は、原子セルの金属溜り部に関する構成が異なる以外は、前述した第１実施形態と同様である。

なお、以下の説明では、第２実施形態に関し、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。

図６に示すガスセル２Ａ（原子セル）は、第１実施形態の胴体部２１および窓部２３に代えて、胴体部２１Ａおよび窓部２３Ａを備えている。

胴体部２１Ａは、板状をなしており、この胴体部２１Ａには、胴体部２１Ａの厚さ方向（上下方向）に貫通している貫通孔２１１Ａが形成されている。この貫通孔２１１Ａの側面の周方向での一部には、胴体部２１Ａの厚さ方向に貫通している凹部２１６（溝）が形成されている。本実施形態では、貫通孔２１１Ａの横断面は、主要部が円形をなし、凹部２１６の横断面は、略半円状をなしている。なお、貫通孔２１１Ａおよび凹部２１６の各横断面形状は、図示のものに限定されないことは言うまでもない。

このような胴体部２１Ａの下面には、窓部２２が接合され、一方、胴体部２１Ａの上面には、窓部２３Ａが接合されている。これにより、貫通孔２１１Ａの下端側開口が窓部２２により封鎖されるとともに、貫通孔２１１Ａの上端側開口が窓部２３Ａにより封鎖されている。本実施形態では、窓部２３Ａが窓部２２と同様に構成されている。

このような窓部２２、２３Ａにより封鎖された貫通孔２１１Ａ内の空間である内部空間Ｓには、主に、気体状のアルカリ金属が収納されている。また、凹部２１６内の空間は、内部空間Ｓに連通しており、液体状または固体状のアルカリ金属Ｍが収納されている。すなわち、凹部２１６内の空間が「金属溜り部」を構成している。

ここで、凹部２１６の底部２１７の外表面は、外部に露出しており、凹部２１６の底部２１７の厚さｔ２は、窓部２２、２３Ａの各厚さｔ１よりも薄くなっている。ここで、底部２１７が「薄肉部」を構成している。これにより、底部２１７の内表面を効率的に放熱または冷却することができる。その結果、底部２１７の内表面上に選択的に固体状または液体状のアルカリ金属Ｍを凝結させやすくすることができる。

以上説明したような第２実施形態に係るガスセル２Ａよっても、周波数安定度を向上させることができる。

＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態について説明する。

図７（ａ）は、本発明の第３実施形態に係る原子セルの縦断面図、図７（ｂ）は、図７（ａ）に示す原子セルの横断面図である。

本実施形態は、原子セルの金属溜り部に関する構成が異なる以外は、前述した第１実施形態と同様である。

なお、以下の説明では、第３実施形態に関し、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。

図７に示すガスセル２Ｂ（原子セル）は、第１実施形態の胴体部２１および窓部２３に代えて、胴体部２１Ｂおよび窓部２３Ａを備えている。

胴体部２１Ｂは、板状をなしており、この胴体部２１Ｂには、胴体部２１Ｂの厚さ方向（上下方向）に貫通している貫通孔２１１Ｂと、胴体部２１Ｂの側面に開口していて胴体部２１Ｂの厚さ方向に貫通している凹部２１８（溝）と、が形成されている。本実施形態では、貫通孔２１１Ｂの横断面は、円形をなし、凹部２１８の横断面は、略半円状をなしている。なお、貫通孔２１１Ｂおよび凹部２１８の各横断面形状は、図示のものに限定されないことは言うまでもない。

このような胴体部２１Ｂの下面には、窓部２２が接合され、一方、胴体部２１Ｂの上面には、窓部２３Ａが接合されている。これにより、貫通孔２１１Ｂの下端側開口が窓部２２により封鎖されるとともに、貫通孔２１１Ｂの上端側開口が窓部２３Ａにより封鎖されている。

このような窓部２２、２３Ａにより封鎖された貫通孔２１１Ｂ内の空間である内部空間Ｓには、主に、気体状のアルカリ金属が収納されている。また、内部空間Ｓの内壁面のうち、凹部２１８に対応する部分、すなわち、凹部２１８の底部２１９の内表面（内部空間Ｓ側の面）上には、液体状または固体状のアルカリ金属Ｍが配置されている。すなわち、内部空間Ｓの一部が「金属溜り部」を構成している。

また、凹部２１８の底部２１９は、内部空間Ｓと外部との間を隔てる壁部の一部を構成しており、凹部２１８の壁面は、外部に露出している。そして、凹部２１８の底部２１９の厚さｔ２は、窓部２２、２３Ａの各厚さｔ１よりも薄くなっている。ここで、底部２１９が「薄肉部」を構成している。これにより、底部２１９の内部空間Ｓ側の面を効率的に放熱または冷却することができる。その結果、底部２１９の内部空間Ｓ側の面上に選択的に固体状または液体状のアルカリ金属Ｍを凝結させやすくすることができる。また、本実施形態では、ウエハーから多数のガスセル２Ｂを製造する場合、底部２１９の厚さがダイシングの精度に影響を受け難い。

以上説明したような第３実施形態に係るガスセル２Ｂよっても、周波数安定度を向上させることができる。

＜第４実施形態＞
次に、本発明の第４実施形態について説明する。

図８（ａ）は、本発明の第４実施形態に係る原子セルの斜視図、図８（ｂ）は、図８（ａ）に示す原子セルの縦断面図である。

本実施形態は、ガラス細工で製造される原子セルに本発明を適用した以外は、前述した第１実施形態と同様である。

なお、以下の説明では、第４実施形態に関し、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。

図８に示すガスセル２Ｃ（原子セル）は、貫通孔２１１Ｃを有する筒状の胴体部２１Ｃと、貫通孔２１１Ｃの両端開口を封鎖する１対の窓部２２Ｃ、２３Ｃと、胴体部２１Ｃの側面から側方に突出する有底筒状の金属溜り部２４と、を備えている。このようなガスセル２Ｃは、ガラス製のパイプや板を組み合わせてガラス細工により製造することができる。

このような窓部２２Ｃ、２３Ｃにより封鎖された貫通孔２１１Ｃ内の空間である内部空間Ｓには、主に、気体状のアルカリ金属が収納されている。また、金属溜り部２４は、内部空間Ｓに連通する凹部２４１を有しており、その凹部２４１の底部２４２の内表面上には、液体状または固体状のアルカリ金属Ｍが配置されている。

また、凹部２４１の底部２４２は、内部空間Ｓと外部との間を隔てる壁部の一部を構成しており、外部に露出している。そして、凹部２４１の底部２４２の厚さｔ２は、窓部２２Ｃ、２３Ｃの各厚さｔ１よりも薄くなっている。ここで、底部２４２が「薄肉部」を構成している。これにより、底部２４２の内部空間Ｓ側の面を効率的に放熱または冷却することができる。その結果、底部２４２の内部空間Ｓ側の面上に選択的に固体状または液体状のアルカリ金属Ｍを凝結させやすくすることができる。

以上説明したような第４実施形態に係るガスセル２Ｃよっても、周波数安定度を向上させることができる。

＜第５実施形態＞
次に、本発明の第５実施形態について説明する。
図９は、本発明の第５実施形態に係る原子セルの縦断面図である。

本実施形態は、金属溜り部を冷却する冷却手段を追加した以外は、前述した第１実施形態と同様である。

なお、以下の説明では、第５実施形態に関し、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。

図９に示すガスセル２Ｄ（原子セル）は、胴体部２１に形成された凹部２１２の底部２１５の外表面に接続された冷却部材２５を備えている。

この冷却部材２５は、窓部２３の貫通孔２３１を通じて、胴体部２１に接続されており、図示しないが、胴体部２１とは反対側の端部が例えばヒートシンクやペルチェ素子等に接続されている。これにより、ガスセル２Ｄの周囲が減圧されていても、冷却部材２５を介して熱伝導により、底部２１５を効率的に放熱または冷却することができる。このように冷却部材２５が底部２１５を冷却する「冷却手段」を構成していることにより、底部２１５をより効率的に放熱または冷却することができる。

本実施形態では、冷却部材２５は、窓部２３と非接触となるように配置されている。これにより、窓部２３が冷却されてしまうのを低減することができる。

このような冷却部材２５の構成材料としては、熱伝導性に優れた材料、例えば、アルミニウム、銅等の金属を用いることができる。

以上説明したような第５実施形態に係るガスセル２Ｄよっても、周波数安定度を向上させることができる。

２．電子機器
以上説明したような原子発振器は、各種電子機器に組み込むことができる。このような電子機器は、優れた信頼性を有する。

以下、本発明の電子機器について説明する。
図１０は、ＧＰＳ衛星を利用した測位システムに本発明の原子発振器を用いた場合の概略構成を示す図である。

図１０に示す測位システム１００は、ＧＰＳ衛星２００と、基地局装置３００と、ＧＰＳ受信装置４００とで構成されている。
ＧＰＳ衛星２００は、測位情報（ＧＰＳ信号）を送信する。

基地局装置３００は、例えば電子基準点（ＧＰＳ連続観測局）に設置されたアンテナ３０１を介してＧＰＳ衛星２００からの測位情報を高精度に受信する受信装置３０２と、この受信装置３０２で受信した測位情報をアンテナ３０３を介して送信する送信装置３０４とを備える。

ここで、受信装置３０２は、その基準周波数発振源として前述した本発明の原子発振器１を備える電子装置である。このような受信装置３０２は、優れた信頼性を有する。また、受信装置３０２で受信された測位情報は、リアルタイムで送信装置３０４により送信される。

ＧＰＳ受信装置４００は、ＧＰＳ衛星２００からの測位情報をアンテナ４０１を介して受信する衛星受信部４０２と、基地局装置３００からの測位情報をアンテナ４０３を介して受信する基地局受信部４０４とを備える。

３．移動体
図１１は、本発明の移動体の一例を示す図である。

この図において、移動体１５００は、車体１５０１と、４つの車輪１５０２とを有しており、車体１５０１に設けられた図示しない動力源（エンジン）によって車輪１５０２を回転させるように構成されている。このような移動体１５００には、原子発振器１が内蔵されている。
このような移動体によれば、優れた信頼性を発揮することができる。

なお、本発明の電子機器は、前述したものに限定されず、例えば、携帯電話機、ディジタルスチルカメラ、インクジェット式吐出装置（例えばインクジェットプリンター）、パーソナルコンピューター（モバイル型パーソナルコンピューター、ラップトップ型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（通信機能付も含む）、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端末、医療機器（例えば電子体温計、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）、魚群探知機、各種測定機器、計器類（例えば、車両、航空機、船舶の計器類）、フライトシミュレーター、地上デジタル放送、携帯電話基地局等に適用することができる。

以上、本発明の原子セル、量子干渉装置、原子発振器、電子機器および移動体について、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これらに限定されるものではない。

また、本発明の各部の構成は、前述した実施形態の同様の機能を発揮する任意の構成のものに置換することができ、また、任意の構成を付加することもできる。

また、本発明は、前述した各実施形態の任意の構成同士を組み合わせるようにしてもよい。

また、前述した実施形態では、波長の異なる２種類の光による量子干渉効果を利用してセシウム等を共鳴遷移させる量子干渉装置に本発明の原子セルを用いた場合を例として説明したが、本発明の原子セルは、これに限定されず、光およびマイクロ波による二重共鳴現象を利用してルビジウム等を共鳴遷移させる二重共鳴装置にも用いることができる。

１‥‥原子発振器
２‥‥ガスセル
２Ａ‥‥ガスセル
２Ｂ‥‥ガスセル
２Ｃ‥‥ガスセル
２Ｄ‥‥ガスセル
３‥‥光出射部
５‥‥光検出部
６‥‥ヒーター
７‥‥温度センサー
８‥‥磁場発生部
１０‥‥制御部
１１‥‥温度制御部
１２‥‥励起光制御部
１３‥‥磁場制御部
２１‥‥胴体部
２１Ａ‥‥胴体部
２１Ｂ‥‥胴体部
２１Ｃ‥‥胴体部
２２‥‥窓部
２２Ｃ‥‥窓部
２３‥‥窓部
２３Ａ‥‥窓部
２３Ｃ‥‥窓部
２４‥‥金属溜り部
２５‥‥冷却部材
４１‥‥光学部品
４２‥‥光学部品
４３‥‥光学部品
４４‥‥光学部品
１００‥‥測位システム
２００‥‥ＧＰＳ衛星
２１１‥‥貫通孔
２１１Ａ‥‥貫通孔
２１１Ｂ‥‥貫通孔
２１１Ｃ‥‥貫通孔
２１２‥‥凹部
２１３‥‥溝
２１４‥‥貫通孔
２１５‥‥底部（薄肉部）
２１６‥‥凹部
２１７‥‥底部（薄肉部）
２１８‥‥凹部
２１９‥‥底部（薄肉部）
２３１‥‥貫通孔
２４１‥‥凹部
２４２‥‥底部（薄肉部）
３００‥‥基地局装置
３０１‥‥アンテナ
３０２‥‥受信装置
３０３‥‥アンテナ
３０４‥‥送信装置
４００‥‥ＧＰＳ受信装置
４０１‥‥アンテナ
４０２‥‥衛星受信部
４０３‥‥アンテナ
４０４‥‥基地局受信部
１５００‥‥移動体
１５０１‥‥車体
１５０２‥‥車輪
ＬＬ‥‥励起光
Ｍ‥‥アルカリ金属
Ｓ‥‥内部空間

Claims (11)

1. 金属と、
   １対の窓部と、
   前記１対の窓部の間に配置されていて、気体状の前記金属が封入されている内部空間を前記１対の窓部とともに構成している胴体部と、
   前記内部空間の一部を構成または前記内部空間に連通している空間であって、液体状または固体状の前記金属が配置されている金属溜り部と、
   を備え、
   前記金属溜り部を構成している前記空間と外部との間の壁部は、前記窓部よりも厚さが薄い薄肉部を有することを特徴とする原子セル。
2. 前記窓部を含み、前記胴体部に積層されている基板を備えており、
   前記基板の厚さ方向から見たときに前記金属溜り部に重なる位置に配置されていて、前記基板に開口している凹部を有する請求項１に記載の原子セル。
3. 前記凹部は、前記基板を貫通している請求項２に記載の原子セル。
4. 前記胴体部は、シリコンを含んで構成されている請求項２または３に記載の原子セル。
5. 前記基板は、ガラスを含んで構成されている請求項４に記載の原子セル。
6. 前記胴体部と前記基板とが直接接合または陽極接合されている請求項２ないし５のいずれか１項に記載の原子セル。
7. 前記薄肉部を冷却する冷却手段を備える請求項１ないし６のいずれか１項に記載の原子セル。
8. 請求項１ないし７のいずれか１項に記載の原子セルを備えることを特徴とする量子干渉装置。
9. 請求項１ないし７のいずれか１項に記載の原子セルを備えることを特徴とする原子発振器。
10. 請求項１ないし７のいずれか１項に記載の原子セルを備えることを特徴とする電子機器。
11. 請求項１ないし７のいずれか１項に記載の原子セルを備えることを特徴とする移動体。

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