JP2016081987A - 原子セル、原子セルの製造方法、量子干渉装置、原子発振器、電子機器および移動体 - Google Patents
原子セル、原子セルの製造方法、量子干渉装置、原子発振器、電子機器および移動体 Download PDFInfo
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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およびその製造方法を提供すること、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】本発明の原子セル２は、アルカリ金属原子と、アルカリ金属原子が封入されている内部空間Ｓを構成している胴体部２１および窓部２２、２３と、内部空間Ｓに配置されているゲッター材Ｇと、を備える。ゲッター材Ｇは、チタン、バリウム、タンタル、ジルコニウム、アルミニウム、バナジウム、インジウム、カルシウムのうちの少なくとも１つを含む合金、または、Ａｌ−Ｚｒ−Ｖ−Ｆｅ系合金であることが好ましい。
【選択図】図４
【解決手段】本発明の原子セル２は、アルカリ金属原子と、アルカリ金属原子が封入されている内部空間Ｓを構成している胴体部２１および窓部２２、２３と、内部空間Ｓに配置されているゲッター材Ｇと、を備える。ゲッター材Ｇは、チタン、バリウム、タンタル、ジルコニウム、アルミニウム、バナジウム、インジウム、カルシウムのうちの少なくとも１つを含む合金、または、Ａｌ−Ｚｒ−Ｖ−Ｆｅ系合金であることが好ましい。
【選択図】図４
Description
本発明は、原子セル、原子セルの製造方法、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。いずれの原子発振器も、一般に、アルカリ金属を封入した原子セル（ガスセル）を備える（例えば、特許文献１参照）。また、原子セル内に、アルカリ金属の他に、窒素、アルゴン、ネオン等の不活性ガスを緩衝ガスとして封入することも一般的に行われている。
しかし、従来の原子発振器では、製造過程等において原子セル内にアルカリ金属や緩衝ガス以外の不要物が混入し、その不要物に起因して周波数安定度が低下するという問題があった。例えば、量子干渉効果を利用した原子発振器では、原子セル内のアルカリ金属に２つの共鳴光を照射し、その２つの共鳴光の周波数差が特定の値のときに２つの共鳴光の双方が原子セル内のアルカリ金属に吸収されずに透過する電磁誘起透明化（ＥＩＴ：Electromagnetically Induced Transparency）現象に伴って発生する急峻な信号であるＥＩＴ信号を基準信号として用いるが、従来では、原子セル内の不要物によってアルカリ金属原子の挙動が変化し、その変化がＥＩＴ信号に影響を及ぼし、その結果、周波数安定度が低下するという問題があった。
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およびその製造方法を提供すること、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、金属原子と、
前記金属原子が封入されている内部空間を構成している壁部と、
前記内部空間に配置されているゲッター材と、
を備えることを特徴とする。
本発明の原子セルは、金属原子と、
前記金属原子が封入されている内部空間を構成している壁部と、
前記内部空間に配置されているゲッター材と、
を備えることを特徴とする。
このような原子セルによれば、内部空間にゲッター材が配置されているため、内部空間にある気体状の不要物の少なくとも一部をゲッター材に吸着または吸収させることができる。そのため、原子セル内に浮遊する不要物の量を低減でき、その結果、原子セル内の不要物によって金属原子の挙動が変化してＥＩＴ信号に影響を与えることによる周波数安定度の低下を防止または低減することができる。よって、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、前記壁部は、
一方の面側に開口している凹部を有する第１基板と、
前記第１基板の前記一方の面側に接合されていて、前記第１基板とともに前記内部空間を構成している第２基板と、
を有することが好ましい。
本発明の原子セルでは、前記壁部は、
一方の面側に開口している凹部を有する第１基板と、
前記第１基板の前記一方の面側に接合されていて、前記第１基板とともに前記内部空間を構成している第２基板と、
を有することが好ましい。
これにより、原子セルの小型化を図ることができる。また、原子セルの小型化を図ると、原子セル内の不要物がＥＩＴ信号に影響を与えやすくなるため、このような構造の原子セルに本発明を適用することにより、その効果が顕著となる。
［適用例３］
本発明の原子セルでは、前記内部空間に面している壁部の表面にコーティング膜を備えることが好ましい。
本発明の原子セルでは、前記内部空間に面している壁部の表面にコーティング膜を備えることが好ましい。
これにより、原子セル内の気体状の金属原子の挙動を安定化し、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４］
本発明の原子セルでは、前記ゲッター材は、前記コーティング膜に保持されていることが好ましい。
本発明の原子セルでは、前記ゲッター材は、前記コーティング膜に保持されていることが好ましい。
これにより、ゲッター材の移動を防止または低減し、その結果、ゲッター材自体がＥＩＴ信号に影響を及ぼすのを防止または低減することができる。
［適用例５］
本発明の原子セルの製造方法は、一方の面側に開口している凹部を有する第１基板と、第２基板と、金属を含む固体状の金属化合物と、ゲッター材と、を準備する準備工程と、
前記凹部に前記金属化合物を配置する配置工程と、
前記第１基板の前記一方の面側に前記第２基板を接合して前記凹部を封止する封止工程と、
前記金属化合物を分解反応させることにより前記金属を取り出す化合物分解工程と、
を有することを特徴とする。
本発明の原子セルの製造方法は、一方の面側に開口している凹部を有する第１基板と、第２基板と、金属を含む固体状の金属化合物と、ゲッター材と、を準備する準備工程と、
前記凹部に前記金属化合物を配置する配置工程と、
前記第１基板の前記一方の面側に前記第２基板を接合して前記凹部を封止する封止工程と、
前記金属化合物を分解反応させることにより前記金属を取り出す化合物分解工程と、
を有することを特徴とする。
このような原子セルの製造方法によれば、得られる原子セルにおいて、内部空間にゲッター材が配置されているため、内部空間にある気体状の不要物の少なくとも一部をゲッター材に吸着または吸収させることができる。そのため、得られる原子セルにおいて、原子セル内に浮遊する不要物の量を低減でき、その結果、原子セル内の不要物によって金属原子の挙動が変化してＥＩＴ信号に影響を与えることによる周波数安定度の低下を防止または低減することができる。よって、得られる原子セルにおいて、周波数安定度を向上させることができる。
また、固体状の金属化合物を用いて内部空間に金属原子を封入するため、封止工程において、第１基板と第２基板との接合面に金属原子が付着するのを防止することができる。そのため、第１基板と第２基板とを簡単かつ強固に接合することができる。その結果、原子セルの信頼性を向上させることができる。
［適用例６］
本発明の原子セルの製造方法では、前記金属化合物が塩化セシウムであり、
前記配置工程において、前記凹部にカルシウムをも配置することが好ましい。
本発明の原子セルの製造方法では、前記金属化合物が塩化セシウムであり、
前記配置工程において、前記凹部にカルシウムをも配置することが好ましい。
カルシウムを還元剤として塩化セシウムを還元させることによりセシウムを生成させることができる。そのため、原子セル内にセシウム原子を封入することができる。
［適用例７］
本発明の原子セルの製造方法では、前記金属化合物がアジ化セシウムであることが好ましい。
本発明の原子セルの製造方法では、前記金属化合物がアジ化セシウムであることが好ましい。
アジ化セシウムを還元させることによりセシウムを生成させることができる。そのため、原子セル内にセシウム原子を封入することができる。
［適用例８］
本発明の原子セルの製造方法では、前記化合物分解工程において、前記金属化合物にエネルギー線を照射することにより前記分解反応を生じさせることが好ましい。
本発明の原子セルの製造方法では、前記化合物分解工程において、前記金属化合物にエネルギー線を照射することにより前記分解反応を生じさせることが好ましい。
これにより、封止された内部空間に配置された金属化合物を分解反応させることができる。
［適用例９］
本発明の原子セルの製造方法では、前記ゲッター材は、チタン、バリウム、タンタル、ジルコニウム、アルミニウム、バナジウム、インジウム、カルシウムのうちの少なくとも１つを含む合金、または、Ａｌ−Ｚｒ−Ｖ−Ｆｅ系合金であることが好ましい。
これにより、原子セル内の不要物をゲッター材に吸着または吸収させることができる。
本発明の原子セルの製造方法では、前記ゲッター材は、チタン、バリウム、タンタル、ジルコニウム、アルミニウム、バナジウム、インジウム、カルシウムのうちの少なくとも１つを含む合金、または、Ａｌ−Ｚｒ−Ｖ−Ｆｅ系合金であることが好ましい。
これにより、原子セル内の不要物をゲッター材に吸着または吸収させることができる。
［適用例１０］
本発明の原子セルの製造方法では、前記第１基板がシリコンを含み、
前記第２基板がガラスを含んでいることが好ましい。
本発明の原子セルの製造方法では、前記第１基板がシリコンを含み、
前記第２基板がガラスを含んでいることが好ましい。
これにより、エッチング技術やフォトリソグラフィ技術を用いて小型で高精度な原子セルを製造することができる。
［適用例１１］
本発明の原子セルの製造方法では、前記封止工程において、前記第１基板と前記第２基板との接合を加熱接合により行うことが好ましい。
本発明の原子セルの製造方法では、前記封止工程において、前記第１基板と前記第２基板との接合を加熱接合により行うことが好ましい。
加熱接合では第１基板および第２基板が高温となる一方、例えばアルカリ金属は融点および沸点が比較的低い。そのため、加熱接合時にアルカリ金属単体が存在していると、第１基板と第２基板との接合面にアルカリ金属が付着してしまい、接合強度の低下を招いてしまう。したがって、このような接合により封止を行う場合、本発明を適用することによる効果が顕著となる。
［適用例１２］
本発明の原子セルの製造方法では、前記封止工程において、前記第１基板と前記第２基板との接合を陽極接合により行うことが好ましい。
本発明の原子セルの製造方法では、前記封止工程において、前記第１基板と前記第２基板との接合を陽極接合により行うことが好ましい。
陽極接合では第１基板および第２基板が高温となる一方、例えばアルカリ金属単体は融点および沸点が比較的低い。そのため、加熱接合時にアルカリ金属単体が存在していると、第１基板と第２基板との接合面にアルカリ金属が付着してしまい、接合強度の低下を招いてしまう。したがって、このような接合により封止を行う場合、本発明を適用することによる効果が顕著となる。
［適用例１３］
本発明の原子セルの製造方法では、前記準備工程において、前記第１基板が前記凹部を複数有することが好ましい。
これにより、効率的に原子セルを製造することができる。
本発明の原子セルの製造方法では、前記準備工程において、前記第１基板が前記凹部を複数有することが好ましい。
これにより、効率的に原子セルを製造することができる。
［適用例１４］
本発明の原子セルの製造方法では、前記封止工程の後に、前記第１基板と前記第２基板とを接合した接合体を前記凹部ごとに個片化する個片化工程を有することが好ましい。
これにより、効率的に原子セルを製造することができる。
本発明の原子セルの製造方法では、前記封止工程の後に、前記第１基板と前記第２基板とを接合した接合体を前記凹部ごとに個片化する個片化工程を有することが好ましい。
これにより、効率的に原子セルを製造することができる。
［適用例１５］
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。
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１６］
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。
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１７］
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。
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１８］
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。
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。
以下、本発明の原子セル、原子セルの製造方法、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。
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、原子セル２（ガスセル）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が原子セル２に向けて励起光ＬＬを出射し、原子セル２を透過した励起光ＬＬを光検出部５が検出する。
図１に示すように、原子発振器１では、光出射部３が原子セル２に向けて励起光ＬＬを出射し、原子セル２を透過した励起光ＬＬを光検出部５が検出する。
原子セル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の各部を簡単に説明する。
［原子セル］
原子セル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、原子セル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。
［原子セル］
原子セル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、原子セル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。
また、原子セル２内には、上記のほか、アルカリ金属化合物、ゲッター材等が配置されている。なお、この点については、原子セル２の構成とともに、後に詳述する。
［光出射部］
光出射部３（光源）は、原子セル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。
光出射部３（光源）は、原子セル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（共鳴光１および共鳴光２）を出射するものである。共鳴光１は、原子セル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、原子セル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と原子セル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側から原子セル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。
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と原子セル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側から原子セル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を無駄なく原子セル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が原子セル２の内壁で反射するのを簡単かつ確実に防止することができる。そのため、原子セル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、原子セル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、原子セル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の磁場により原子セル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の磁場により原子セル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、原子セル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。
光検出部５は、原子セル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、前述した原子セル２（より具体的には原子セル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、原子セル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。
ヒーター６（加熱部）は、前述した原子セル２（より具体的には原子セル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、原子セル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、原子セル２に対して接触して設けられていてもよいし、原子セル２に対して非接触で設けられていてもよい。
例えば、発熱抵抗体を原子セル２に対して接触して設ける場合、原子セル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、原子セル２の窓部にアルカリ金属原子が結露するの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）、Ｉｎ３Ｏ３、ＳｎＯ２、Ｓｂ含有ＳｎＯ２、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、発熱抵抗体を原子セル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原子セル２へ伝熱すればよい。
なお、ヒーター６は、原子セル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、原子セル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または原子セル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、原子セル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。
温度センサー７は、ヒーター６または原子セル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、原子セル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、原子セル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、原子セル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。
磁場発生部８は、原子セル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、原子セル２を挟むように配置されたヘルムホルツコイル、または、原子セル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、原子セル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。
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、原子セル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、原子セル２を所望の温度範囲内に維持することができる。例えば、原子セル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。
以上、原子発振器１の構成を簡単に説明した。
（原子セルの詳細な説明）
図４（ａ）は、図１に示す原子発振器が備える原子セルの縦断面図、図４（ｂ）は、図４（ａ）中のＡ−Ａ線断面図（横断面図）である。
なお、以下では、説明の便宜上、図４（ａ）中の上側を「上」、下側を「下」という。
図４（ａ）は、図１に示す原子発振器が備える原子セルの縦断面図、図４（ｂ）は、図４（ａ）中のＡ−Ａ線断面図（横断面図）である。
なお、以下では、説明の便宜上、図４（ａ）中の上側を「上」、下側を「下」という。
図４（ａ）に示すように、原子セル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。この原子セル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。
ここで、胴体部２１および窓部２２、２３は内部空間Ｓを構成（区画形成）している「壁部」を構成しており、胴体部２１および窓部２２は、一方の面側に開口している凹部を有する「第１基板」を構成し、また、窓部２３は、第１基板の前記一方の面側に接合されていて第１基板とともに内部空間Ｓを構成している「第２基板」を構成している。このような複数の基板の積層構造により、原子セル２の小型化を図ることができる。また、原子セル２の小型化を図ると、原子セル２内の不要物がＥＩＴ信号に影響を与えやすくなるため、このような構造の原子セル２に本発明を適用することにより、その効果が顕著となる。なお、胴体部２１および窓部２３が、一方の面側に開口している凹部を有する「第１基板」を構成し、また、窓部２２が、第１基板の前記一方の面側に接合されていて第１基板とともに内部空間Ｓを構成している「第２基板」を構成しているともいえる。
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）に貫通している貫通孔２１１、２１２と、胴体部２１の上面に開口していて貫通孔２１１と貫通孔２１２とを連通させている溝２１３（凹部）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原子セル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、原子セル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、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、原子セル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、２１２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２１１、２１２の上端側開口および溝２１３の開口が窓部２３により封鎖されている。そして、貫通孔２１１、２１２および溝２１３で構成された内部空間Ｓが気密空間として形成されている。
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、原子セル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、原子セル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、原子セル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。
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、原子セル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。
このような胴体部２１および窓部２２、２３により区画形成された内部空間Ｓには、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、貫通孔２１１内において、励起光ＬＬによって励起される。すなわち、貫通孔２１１内の空間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、貫通孔２１１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、図示しないが、貫通孔２１１の横断面と相似形状（すなわち円形）をなし、かつ、貫通孔２１１の横断面よりも若干小さく設定されている。なお、貫通孔２１１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、内部空間Ｓの貫通孔２１２内の空間は、溝２１３内の空間を介して貫通孔２１１内の空間に連通している。本実施形態では、貫通孔２１２の横断面は、矩形をなしている。なお、貫通孔２１２の横断面形状は、矩形に限定されず、例えば、五角形等の他の多角形、円形、楕円形等であってもよい。
この貫通孔２１２内の空間には、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、貫通孔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。この液体状または固体状のアルカリ金属Ｍは、内部空間Ｓ内の気体状のアルカリ金属と飽和蒸気圧で平衡状態となっており、これにより、内部空間Ｓ内の気体状のアルカリ金属を所定濃度に保つことができる。また、貫通孔２１１内の空間とは離れた貫通孔２１２内の空間にアルカリ金属Ｍを配置することにより、アルカリ金属Ｍが周波数特性に影響を与えるのを低減することができる。
また、貫通孔２１２内の空間には、化合物Ｐおよびゲッター材Ｇが配置されている。
化合物Ｐは、後述する原子セル２の製造に用いた金属化合物Ｐ１の分解反応後の残渣であり、例えば、未反応の金属化合物Ｐ１である。また、化合物Ｐは、金属化合物Ｐ１の分解反応により生成したアルカリ金属以外の生成物を含むこともある。また、貫通孔２１１内の空間とは離れた貫通孔２１２内の空間に化合物Ｐを配置することにより、化合物Ｐが周波数特性に影響を与えるのを低減することができる。
化合物Ｐは、後述する原子セル２の製造に用いた金属化合物Ｐ１の分解反応後の残渣であり、例えば、未反応の金属化合物Ｐ１である。また、化合物Ｐは、金属化合物Ｐ１の分解反応により生成したアルカリ金属以外の生成物を含むこともある。また、貫通孔２１１内の空間とは離れた貫通孔２１２内の空間に化合物Ｐを配置することにより、化合物Ｐが周波数特性に影響を与えるのを低減することができる。
なお、金属化合物Ｐ１の分解反応により生じるアルカリ金属以外の生成物のすべてが気体であり、かつ、金属化合物Ｐ１が完全に分解反応した場合、内部空間Ｓには、固体状の化合物Ｐは存在しない。この場合、金属化合物Ｐ１の分解反応により生じるアルカリ金属以外の生成物は、内部空間Ｓに気体として存在するか、または、ゲッター材Ｇに吸着または吸収されることとなる。なお、金属化合物Ｐ１の分解反応により生じるアルカリ金属以外の生成物が窒素等の不活性ガスである場合、かかる生成物を緩衝ガスの一部として用いることができる。
ゲッター材Ｇは、所望のアルカリ金属ガスおよび緩衝ガス以外のガスを吸着または吸収する機能を有する。これにより、内部空間Ｓにあるアルカリ金属原子以外の不要物の少なくとも一部をゲッター材Ｇに吸着または吸収させることができる。そのため、原子セル２内に浮遊する不要物の量を低減でき、その結果、原子セル２内の不要物によってアルカリ金属原子の挙動が変化してＥＩＴ信号に影響を与えることによる周波数安定度の低下を防止または低減することができる。よって、周波数安定度を向上させることができる。また、貫通孔２１１内の空間とは離れた貫通孔２１２内の空間にゲッター材Ｇを配置することにより、ゲッター材Ｇが周波数特性に影響を与えるのを低減することができる。
なお、化合物Ｐ、金属化合物Ｐ１およびゲッター材Ｇについては、後述する原子セル２の製造方法とともに詳述する。
以上説明したような原子発振器１は、ゲッター材Ｇが内部空間Ｓに配置されている原子セル２を備えているため、優れた周波数安定度を有する。
また、以上説明したような原子発振器１が備える原子セル２は、以下のようにして製造することができる。
（原子セルの製造方法）
以下、本発明の原子セルの製造方法について、前述した原子セル２を製造する場合を例に説明する。なお、以下では、胴体部２１がシリコンで構成され、窓部２２、２３がガラスで構成されている場合を例に説明する。
以下、本発明の原子セルの製造方法について、前述した原子セル２を製造する場合を例に説明する。なお、以下では、胴体部２１がシリコンで構成され、窓部２２、２３がガラスで構成されている場合を例に説明する。
図５は、図４に示す原子セルの製造方法における準備工程に用いる部材を示す図である。図６は、図４に示す原子セルの製造方法における準備工程、配置工程および封止工程を示す図である。図７は、図４に示す原子セルの製造方法における化合物分解工程および個片化工程を示す図である。
原子セル２の製造方法は、［１］準備工程と、［２］配置工程と、［３］封止工程と、［４］化合物分解工程と、［５］個片化工程と、を有する。以下、各工程を順次説明する。
［１］準備工程
まず、図５に示すように、胴体部形成用基板２１０および窓部形成用基板２２０、２３０を準備する。
まず、図５に示すように、胴体部形成用基板２１０および窓部形成用基板２２０、２３０を準備する。
胴体部形成用基板２１０は、前述した胴体部２１を形成するためのシリコン基板であって、貫通孔２１１、２１２および溝２１３を有する。また、窓部形成用基板２２０は、前述した窓部２２を形成するためのガラス基板である。同様に、窓部形成用基板２３０は、前述した窓部２３を形成するためのガラス基板である。
このように、胴体部形成用基板２１０がシリコンを含み、窓部形成用基板２２０、２３０がそれぞれガラスを含んでいることにより、エッチング技術やフォトリソグラフィ技術を用いて小型で高精度な原子セル２を製造することができる。
本実施形態では、胴体部形成用基板２１０は、複数組の貫通孔２１１、２１２および溝２１３を有し、後述する［５］個片化工程で個片化されることにより、胴体部２１となる。また、窓部形成用基板２２０、２３０は、後述する［５］個片化工程で個片化されることにより窓部２２、２３となる。
そして、図６（ａ）に示すように、胴体部形成用基板２１０と窓部形成用基板２２０とを接合する。これにより、胴体部形成用基板２１０と窓部形成用基板２２０とが接合された接合体（積層体）が得られる。この接合体は、一方の面側に開口している貫通孔２１１、２１２および溝２１３による凹部を有する「第１基板」を構成している。また、窓部形成用基板２３０は、「第２基板」を構成している。
胴体部形成用基板２１０と窓部形成用基板２２０との接合は、加熱接合の１種である陽極接合により行うことが好ましい。これにより、比較的簡単に、胴体部形成用基板２１０と窓部形成用基板２２０とを気密的に接合することができる。
なお、本工程において、胴体部形成用基板２１０と窓部形成用基板２３０とを接合してもよい。この場合、胴体部形成用基板２１０と窓部形成用基板２３０とが接合された接合体が、一方の面側に開口している貫通孔２１１、２１２および溝２１３による凹部を有する「第１基板」を構成し、また、窓部形成用基板２２０が、「第２基板」を構成することとなる。また、この場合、後述する［３］封止工程において、胴体部形成用基板２１０と窓部形成用基板２２０とを接合すればよい。
［２］配置工程
次に、図６（ｂ）に示すように、貫通孔２１２による凹部内に金属化合物Ｐ１およびゲッター材Ｇを配置する。また、このとき、図示しないが、かかる凹部内に、必要に応じて、金属化合物Ｐ１の分解反応に必要な還元剤を配置する。
次に、図６（ｂ）に示すように、貫通孔２１２による凹部内に金属化合物Ｐ１およびゲッター材Ｇを配置する。また、このとき、図示しないが、かかる凹部内に、必要に応じて、金属化合物Ｐ１の分解反応に必要な還元剤を配置する。
金属化合物Ｐ１は、アルカリ金属を含む化合物であって、分解反応（還元）により単体のアルカリ金属を生成（放出）する化合物である。この金属化合物Ｐ１としては、分解反応（還元）により単体のアルカリ金属を生成する化合物であれば、特に限定されないが、例えば、塩化セシウム（ＣｓＣｌ）、アジ化セシウム（ＣｓＮ３）クロム酸セシウム（ＣｓＣｒ２Ｏ７）等が挙げられる。ここで、金属化合物Ｐ１は、後述する［３］封止工程における加熱下において分解反応を実質的に生じないもの、すなわち、分解反応が生じる温度が［３］封止工程における加熱温度よりも高いものであることが好ましい。これにより、胴体部形成用基板２１０と窓部形成用基板２３０との接合面にアルカリ金属が付着するのを防止または低減することができる。
また、金属化合物Ｐ１の分解反応に用いる還元剤は、特に限定されないが、例えば、金属化合物Ｐ１が塩化セシウムである場合、カルシウムを用いる。なお、この還元剤は、金属化合物Ｐ１と別体であってもよいし、金属化合物Ｐ１との混合物または集合体として一体であってもよい。
また、ゲッター材Ｇは、所望のアルカリ金属ガスおよび緩衝ガス以外のガスを吸着または吸収する機能を有する。このゲッター材Ｇとしては、かかる機能を有するものであれば特に限定されないが、例えば、チタン、バリウム、タンタル、ジルコニウム、アルミニウム、バナジウム、インジウム、カルシウムのうちの少なくとも１つを含む合金、または、Ａｌ−Ｚｒ−Ｖ−Ｆｅ系合金が挙げられる。このようなゲッター材Ｇを用いることにより、後述する［３］封止工程後において内部空間Ｓの気体状の不要物をゲッター材Ｇに吸着または吸収させることができる。なお、ゲッター材Ｇは、金属化合物Ｐ１と別体であってもよいし、金属化合物Ｐ１との混合物または集合体として一体であってもよい。
［３］封止工程
次に、図６（ｃ）に示すように、胴体部形成用基板２１０（第１基板の一方の面側）と窓部形成用基板２３０とを接合する。これにより、貫通孔２１１、２１２および溝２１３で構成された凹部が封止され、内部空間Ｓが形成される。
次に、図６（ｃ）に示すように、胴体部形成用基板２１０（第１基板の一方の面側）と窓部形成用基板２３０とを接合する。これにより、貫通孔２１１、２１２および溝２１３で構成された凹部が封止され、内部空間Ｓが形成される。
胴体部形成用基板２１０と窓部形成用基板２３０との接合方法としては、前述した胴体部形成用基板２１０と窓部形成用基板２３０との接合方法と同様の方法を用いることができる。すなわち、［３］封止工程において、胴体部形成用基板２１０と窓部形成用基板２３０との接合を加熱接合の一種である陽極接合により行うことができる。
陽極接合では胴体部形成用基板２１０および窓部形成用基板２２０、２３０が高温となる一方、例えばアルカリ金属単体は融点および沸点が比較的低い。そのため、加熱接合時にアルカリ金属単体が存在していると、胴体部形成用基板２１０および窓部形成用基板２３０との接合面にアルカリ金属が付着してしまい、接合強度の低下を招いてしまう。したがって、このような接合により封止を行う場合、本発明を適用することによる効果が顕著となる。すなわち、本発明では、［３］封止工程において、貫通孔２１１、２１２および溝２１３で構成された凹部内に配置された金属化合物Ｐ１は、陽極接合時の熱のもとでも固体状を維持するため、胴体部形成用基板２１０および窓部形成用基板２３０との接合面にアルカリ金属が付着することを防止または低減することができる。
［４］化合物分解工程
次に、図７（ａ）に示すように、レーザー（エネルギー線）を金属化合物Ｐ１に照射する。これにより、金属化合物Ｐ１を分解反応させることにより、アルカリ金属単体を取り出す。
次に、図７（ａ）に示すように、レーザー（エネルギー線）を金属化合物Ｐ１に照射する。これにより、金属化合物Ｐ１を分解反応させることにより、アルカリ金属単体を取り出す。
このとき、金属化合物Ｐ１の分解反応により、アルカリ金属以外の反応生成物が生じるとともに、未反応の金属化合物Ｐ１が残渣として残り化合物Ｐとなる。
具体的に説明すると、例えば、金属化合物Ｐ１が塩化セシウムであり、還元剤としてカルシウムを用いた場合、
本工程では、２ＣｓＣｌ＋Ｃａ→２Ｃｓ↑＋ＣａＣｌ２の反応が生じる。このように、カルシウムを還元剤として塩化セシウムを還元させることによりセシウムを単体として取り出すことができる。そのため、原子セル２内にセシウム原子を封入することができる。
本工程では、２ＣｓＣｌ＋Ｃａ→２Ｃｓ↑＋ＣａＣｌ２の反応が生じる。このように、カルシウムを還元剤として塩化セシウムを還元させることによりセシウムを単体として取り出すことができる。そのため、原子セル２内にセシウム原子を封入することができる。
また、金属化合物Ｐ１がアジ化セシウムである場合、
本工程では、２ＣｓＮ３→２Ｃｓ＋３Ｎ２の反応が生じる。このように、アジ化セシウムを還元させることによりセシウムを単体として取り出すことができる。そのため、原子セル２内にセシウム原子を封入することができる。
本工程では、２ＣｓＮ３→２Ｃｓ＋３Ｎ２の反応が生じる。このように、アジ化セシウムを還元させることによりセシウムを単体として取り出すことができる。そのため、原子セル２内にセシウム原子を封入することができる。
本工程では、金属化合物Ｐ１にエネルギー線を照射することにより分解反応を生じさせるため、封止された内部空間Ｓに配置された金属化合物Ｐ１を分解反応させることができる。なお、図７（ａ）では、レーザーを用いて金属化合物Ｐ１の分解反応を生じさせる場合を例に図示しているが、金属化合物Ｐ１の分解反応を生じさせることができれば、レーザーに限定されず、例えば、レーザー以外の光、Ｘ線、γ線のような電磁波、電子線、イオンビームのような粒子線等や、またはこれらのエネルギー線を２種以上組み合わせたものが挙げられる。また、電磁誘導により金属化合物Ｐ１を加熱して分解反応を生じさせてもよい。
［５］個片化工程
次に、例えばダイシングにより、胴体部形成用基板２１０および窓部形成用基板２２０、２３０からなる積層構造体（接合体）を個片化する。これにより、図７（ｂ）に示すように、原子セル２が得られる。
次に、例えばダイシングにより、胴体部形成用基板２１０および窓部形成用基板２２０、２３０からなる積層構造体（接合体）を個片化する。これにより、図７（ｂ）に示すように、原子セル２が得られる。
本実施形態では、前述したように、［１］準備工程において、第１基板が貫通孔２１１、２１２および溝２１３による凹部を複数有し、［３］封止工程の後の［５］個片化工程において、第１基板と第２基板とを接合した接合体、すなわち、胴体部形成用基板２１０と窓部形成用基板２２０、２３０とを接合した接合体を貫通孔２１１、２１２および溝２１３による凹部ごとに個片化する。これにより、効率的に原子セルを製造することができる。
以上説明したような原子セル２の製造方法によれば、前述したような効果を奏する原子セル２を得ることができる。
また、固体状の金属化合物Ｐ１を用いて内部空間Ｓにアルカリ金属原子を封入するため、［３］封止工程において、胴体部形成用基板２１０と窓部形成用基板２３０との接合面にアルカリ金属原子が付着するのを防止することができる。そのため、胴体部形成用基板２１０と窓部形成用基板２３０とを簡単かつ強固に接合することができる。その結果、原子セル２の信頼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。
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
図８（ａ）は、本発明の第２実施形態に係る原子発振器が備える原子セルの縦断面図、図８（ｂ）は、図８（ａ）中のＡ−Ａ線断面図（横断面図）である。
本実施形態は、原子セルの内壁面にコーティング膜を設けた以外は、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８に示す原子セル２Ａ（ガスセル）では、内部空間Ｓの壁面にコーティング膜２４が配置されている。これにより、原子セル２Ａ内の気体状のアルカリ金属原子の挙動を安定化し、その結果、周波数安定度を向上させることができる。より具体的には、このコーティング膜２４は、気体状のアルカリ金属が内部空間Ｓの内壁面に衝突したときの挙動（例えばスピン）の変化を抑制または低減する機能を有する。これにより、原子セル２Ａを小型化しても、アルカリ金属が原子セル２Ａの内壁面に衝突することによる挙動の変化が特性に悪影響を与えるのを抑制し、原子発振器１の発振特性を優れたものとすることができる。
このコーティング膜２４の構成材料は、フッ素系樹脂、シロキサン系化合物または鎖式飽和炭化水素を含んでいるのが好ましい。これにより、アルカリ金属がコーティング膜２４に衝突した際の挙動の変化を効果的に低減することができ、また、化学的安定性に優れる。また、コーティング材料の沸点を金属原子の沸点よりも高くすることができる。
なお、コーティング膜２４の形成に用いるコーティング材料、すなわち、コーティング膜２４の構成材料またはその前駆体については、後述する原子セル２Ａの製造方法の説明においてより具体的に説明する。
また、本実施形態では、ゲッター材Ｇおよび化合物Ｐがコーティング膜２４に保持されている。これにより、ゲッター材Ｇ等の移動を防止または低減し、その結果、ゲッター材Ｇ等自体がＥＩＴ信号に影響を及ぼすのを防止または低減することができる。
なお、図８では、貫通孔２１２内の空間に余剰のコーティング剤Ｃが配置されている。このコーティング剤Ｃは、原子セル２Ａの製造時にコーティング膜２４を形成するために用いたコーティング剤の余剰分であり、製造時に余剰分が生じない量のコーティング剤を用いた場合は存在しない。
以上説明したような原子セル２Ａは、以下のようにして製造することができる。
図９は、図８に示す原子セルの製造方法における準備工程、配置工程および封止工程を示す図である。図１０は、図８に示す原子セルの製造方法における化合物分解工程および個片化工程を示す図である。
図９は、図８に示す原子セルの製造方法における準備工程、配置工程および封止工程を示す図である。図１０は、図８に示す原子セルの製造方法における化合物分解工程および個片化工程を示す図である。
原子セル２Ａの製造方法は、［１Ａ］準備工程と、［２Ａ］配置工程と、［３Ａ］封止工程と、［４Ａ］化合物分解工程と、［５Ａ］個片化工程と、を有する。以下、各工程を順次説明する。
［１Ａ］準備工程
まず、前述した第１実施形態と同様、胴体部形成用基板２１０および窓部形成用基板２２０、２３０を準備し、図９（ａ）に示すように、胴体部形成用基板２１０と窓部形成用基板２２０とを接合する。
まず、前述した第１実施形態と同様、胴体部形成用基板２１０および窓部形成用基板２２０、２３０を準備し、図９（ａ）に示すように、胴体部形成用基板２１０と窓部形成用基板２２０とを接合する。
［２Ａ］配置工程
次に、図９（ｂ）に示すように、貫通孔２１２による凹部内に金属化合物Ｐ１、ゲッター材Ｇおよびコーティング剤Ｃを配置する。
次に、図９（ｂ）に示すように、貫通孔２１２による凹部内に金属化合物Ｐ１、ゲッター材Ｇおよびコーティング剤Ｃを配置する。
コーティング剤Ｃは、前述したような機能を有するコーティング膜２４を形成することができるものであれば、特に限定されないが、フッ素系樹脂、シロキサン系化合物および鎖式飽和炭化水素のうちのいずれかの化合物またはその前駆体であることが好ましい。
コーティング剤Ｃとして用いるフッ素系樹脂としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）、ペルフルオロアルコキシフッ素樹脂（ＰＦＡ）、四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体（ＦＥＰ）、エチレン・四フッ化エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、エチレン・クロロトリフルオロエチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）等が挙げられる。
また、コーティング剤Ｃとして用いるシロキサン系化合物としては、例えば、メチルトリメトキシシラン、ジメチルジメトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、ヘキシルトリメトキシシラン、ヘキシルトリエトキシシラン、デシルトリメトキシシラン、トリフルオロプロピルトリメトキシシラン等のアルコキシシラン、ヘキサメチルジシラザン等のシラザン、加水分解性基含有シロキサン等のシロキサン等が挙げられる。
また、コーティング剤Ｃとして用いる鎖式飽和炭化水素としては、例えば、パラフィン（炭素原子の数が２０以上のアルカン）等が挙げられる。
［３Ａ］封止工程
次に、前述した第１実施形態と同様、図９（ｃ）に示すように、胴体部形成用基板２１０（第１基板の一方の面側）と窓部形成用基板２３０とを接合する。これにより、貫通孔２１１、２１２および溝２１３で構成された凹部が封止され、内部空間Ｓが形成される。
次に、前述した第１実施形態と同様、図９（ｃ）に示すように、胴体部形成用基板２１０（第１基板の一方の面側）と窓部形成用基板２３０とを接合する。これにより、貫通孔２１１、２１２および溝２１３で構成された凹部が封止され、内部空間Ｓが形成される。
［４Ａ］化合物分解工程
次に、図１０（ａ）に示すように、前述した第１実施形態と同様、レーザー（エネルギー線）を金属化合物Ｐ１に照射する。これにより、金属化合物Ｐ１を分解反応させることにより、アルカリ金属を生成させる。このとき、コーティング剤Ｃもレーザーで加熱することにより、コーティング剤Ｃを気化させ、その気化したコーティング剤を内部空間Ｓの壁面に付着させ凝固・固化させることにより、化合物Ｐを保持した状態のコーティング膜２４が形成される。
次に、図１０（ａ）に示すように、前述した第１実施形態と同様、レーザー（エネルギー線）を金属化合物Ｐ１に照射する。これにより、金属化合物Ｐ１を分解反応させることにより、アルカリ金属を生成させる。このとき、コーティング剤Ｃもレーザーで加熱することにより、コーティング剤Ｃを気化させ、その気化したコーティング剤を内部空間Ｓの壁面に付着させ凝固・固化させることにより、化合物Ｐを保持した状態のコーティング膜２４が形成される。
ここで、コーティング剤Ｃへのレーザーの照射は、金属化合物Ｐ１へのレーザーの照射と同時に行ってもよいし、金属化合物Ｐ１へのレーザーの照射の前または後であってもよい。
［５Ａ］個片化工程
次に、前述した第１実施形態と同様、胴体部形成用基板２１０および窓部形成用基板２２０、２３０からなる積層構造体（接合体）を個片化する。これにより、図１０（ｂ）に示すように、原子セル２Ａが得られる。
次に、前述した第１実施形態と同様、胴体部形成用基板２１０および窓部形成用基板２２０、２３０からなる積層構造体（接合体）を個片化する。これにより、図１０（ｂ）に示すように、原子セル２Ａが得られる。
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。
以下、本発明の電子機器について説明する。
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。
以下、本発明の電子機器について説明する。
図１１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１１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。
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１２は、本発明の移動体の一例を示す図である。
図１２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。
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、ＧＰＳモジュール等に適用することができる。
以上、本発明の原子セル、原子セルの製造方法、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‥‥原子セル
２Ａ‥‥原子セル
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
２２‥‥窓部
２３‥‥窓部
２４‥‥コーティング膜
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
２１０‥‥胴体部形成用基板
２１１‥‥貫通孔
２１２‥‥貫通孔
２１３‥‥溝
２２０‥‥窓部形成用基板
２３０‥‥窓部形成用基板
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
Ｃ‥‥コーティング剤
Ｇ‥‥ゲッター材
ＬＬ‥‥励起光
Ｍ‥‥アルカリ金属
Ｐ‥‥化合物
Ｐ１‥‥金属化合物
Ｓ‥‥内部空間
２‥‥原子セル
２Ａ‥‥原子セル
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
２２‥‥窓部
２３‥‥窓部
２４‥‥コーティング膜
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
２１０‥‥胴体部形成用基板
２１１‥‥貫通孔
２１２‥‥貫通孔
２１３‥‥溝
２２０‥‥窓部形成用基板
２３０‥‥窓部形成用基板
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
Ｃ‥‥コーティング剤
Ｇ‥‥ゲッター材
ＬＬ‥‥励起光
Ｍ‥‥アルカリ金属
Ｐ‥‥化合物
Ｐ１‥‥金属化合物
Ｓ‥‥内部空間
Claims (18)
- 金属原子と、
前記金属原子が封入されている内部空間を構成している壁部と、
前記内部空間に配置されているゲッター材と、
を備えることを特徴とする原子セル。 - 前記壁部は、
一方の面側に開口している凹部を有する第１基板と、
前記第１基板の前記一方の面側に接合されていて、前記第１基板とともに前記内部空間を構成している第２基板と、
を有する請求項１に記載の原子セル。 - 前記内部空間に面している壁部の表面にコーティング膜を備える請求項１または２に記載の原子セル。
- 前記ゲッター材は、前記コーティング膜に保持されている請求項３に記載の原子セル。
- 一方の面側に開口している凹部を有する第１基板と、第２基板と、金属を含む固体状の金属化合物と、ゲッター材と、を準備する準備工程と、
前記凹部に前記金属化合物を配置する配置工程と、
前記第１基板の前記一方の面側に前記第２基板を接合して前記凹部を封止する封止工程と、
前記金属化合物を分解反応させることにより前記金属を取り出す化合物分解工程と、
を有することを特徴とする原子セルの製造方法。 - 前記金属化合物が塩化セシウムであり、
前記配置工程において、前記凹部にカルシウムをも配置する請求項５に記載の原子セルの製造方法。 - 前記金属化合物がアジ化セシウムである請求項５に記載の原子セルの製造方法。
- 前記化合物分解工程において、前記金属化合物にエネルギー線を照射することにより前記分解反応を生じさせる請求項５ないし７のいずれか１項に記載の原子セルの製造方法。
- 前記ゲッター材は、チタン、バリウム、タンタル、ジルコニウム、アルミニウム、バナジウム、インジウム、カルシウムのうちの少なくとも１つを含む合金、または、Ａｌ−Ｚｒ−Ｖ−Ｆｅ系合金である請求項５ないし８のいずれか１項に記載の原子セルの製造方法。
- 前記第１基板がシリコンを含み、
前記第２基板がガラスを含んでいる請求項５ないし９のいずれか１項に記載の原子セルの製造方法。 - 前記封止工程において、前記第１基板と前記第２基板との接合を加熱接合により行う請求項１０に記載の原子セルの製造方法。
- 前記封止工程において、前記第１基板と前記第２基板との接合を陽極接合により行う請求項１１に記載の原子セルの製造方法。
- 前記準備工程において、前記第１基板が前記凹部を複数有する請求項５ないし１２のいずれか１項に記載の原子セルの製造方法。
- 前記封止工程の後に、前記第１基板と前記第２基板とを接合した接合体を前記凹部ごとに個片化する個片化工程を有する請求項１３に記載の原子セルの製造方法。
- 請求項１ないし４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。
- 請求項１ないし４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。
- 請求項１ないし４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。
- 請求項１ないし４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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