JP2016095263A - 磁気計測装置の製造方法および磁気計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】製造工数を低減し生産性を向上させることができる磁気計測装置の製造方法および磁気計測装置を提供する。【解決手段】磁場を計測する磁気計測装置１００の製造方法は、主室１４とリザーバー１６と、主室１４とリザーバー１６とを連通する連通孔１５と、を備えたガスセル１０のリザーバー１６に、アルカリ金属固体２４が充填されたアンプル２０を配置し、主室１４とリザーバー１６と連通孔１５とを密封する工程と、アンプル２０にパルスレーザー光７０を照射することによりアンプル２０に貫通孔２１を形成する貫通孔形成工程と、を含み、リザーバー１６には、アンプル２０が落ち着く所定の位置が設けられ、貫通孔形成工程では、所定の位置を基準としてアンプル２０の複数箇所にパルスレーザー光７０を照射することを特徴とする。【選択図】図５

Description

本発明は、磁気計測装置の製造方法および磁気計測装置に関する。

アルカリ金属ガスが封入されたガスセルに直線偏光を照射し、偏光面の回転角に応じて磁場を測定する光ポンピング式の磁気計測装置が知られている。特許文献１に、リザーバー（アンプル収容室）にアルカリ金属が封入されたアンプルを収容し、そのアンプルにレーザー光を照射することによりアンプルのガラス管に貫通孔を形成し、アンプル内のアルカリ金属を蒸発させて、その蒸気（ガス）をリザーバーから連通孔を介して主室内に充満させたガスセルを備えた磁気計測装置が開示されている。

特開２０１２−１８３２９０号公報

ところで、貫通孔を形成する工程において、レーザー光を１箇所に照射して一つの貫通孔を形成する加工だけでは、深さ方向の加工が不十分でアンプルの気密が破れない場合や、貫通孔が形成できてもアンプル内のアルカリ金属の蒸発量が少なく主室内にアルカリ金属ガスが充満するまでに長時間を要する場合がある。しかしながら、確実に貫通孔を形成し、かつ短時間で主室内にアルカリ金属ガスを充満させるために、レーザー光を１箇所に照射する加工を何回も繰り返して行うと、製造工数の増大を招いてしまうという課題がある。

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］本適用例に係る磁気計測装置の製造方法は、磁場を計測する磁気計測装置の製造方法であって、第１室と、第２室と、前記第１室と前記第２室とを連通する連通孔と、を備えたガスセルの前記第２室に、アルカリ金属材料が充填されたアンプルを配置し、前記第１室と前記第２室と前記連通孔とを密封する工程と、前記アンプルにレーザー光を照射することにより前記アンプルに貫通孔を形成する貫通孔形成工程と、を含み、前記第２室には、前記アンプルが落ち着く所定の位置が設けられ、前記貫通孔形成工程では、前記所定の位置を基準として前記アンプルの複数箇所に前記レーザー光を照射することを特徴とする。

本適用例の製造方法によれば、貫通孔形成工程において、第２室に配置されたアンプルの複数箇所にレーザー光を照射するので、アンプルに複数の貫通孔を並行して形成できる。そのため、レーザー光を１箇所だけに照射する場合と比べて、アンプルの気密を破って貫通孔を形成する確率を高めるとともに、内部のアルカリ金属材料が露出する面積を広くして、短時間で第２室から連通孔を介して第１室内にアルカリ金属ガスを充満させることができる。そして、レーザー光を１箇所に照射する工程を繰り返して複数の貫通孔を形成する場合と比べて、製造工数を低減することができる。また、アンプルが落ち着く所定の位置に配置された状態で、所定の位置を基準としてレーザー光を照射するので、アンプルが落ち着く位置がない場合と比べて、アンプルにレーザー光を照射する位置合わせをより精度良く行うことができる。これらにより、磁気計測装置の製造工数を低減し、生産性を向上させることができる。

［適用例２］上記適用例に係る磁気計測装置の製造方法であって、前記所定の位置は、第１の方向に沿って設けられ、前記アンプルは、長手方向を有し、前記長手方向が前記第１の方向に沿うように前記所定の位置に配置され、前記貫通孔形成工程では、前記第１の方向に沿った前記複数箇所に前記レーザー光を照射することが好ましい。

本適用例の製造方法によれば、アンプルをその長手方向が第１の方向に沿うように所定の位置に配置し、アンプルの長手方向に沿った複数箇所にレーザー光を照射するので、複数の貫通孔を容易に形成できる。また、複数箇所のそれぞれをアンプルの長手方向における幅の中心に合わせ易くなるので、複数箇所のそれぞれにおいてより確実に気密を破ることができる。

［適用例３］上記適用例に係る磁気計測装置の製造方法であって、前記貫通孔形成工程では、前記レーザー光を前記第１の方向に沿って走査して照射することが好ましい。

本適用例の製造方法によれば、レーザー光を第１の方向に沿って走査して照射するので、アンプルの長手方向に沿った複数箇所で並行して貫通孔を形成することができる。

［適用例４］上記適用例に係る磁気計測装置の製造方法であって、前記貫通孔形成工程では、ガルバノスキャナーを用いて前記レーザー光を走査することが好ましい。

本適用例の製造方法によれば、ガルバノスキャナーを用いてレーザー光を第１の方向に沿って走査することができる。

［適用例５］上記適用例に係る磁気計測装置の製造方法であって、前記貫通孔形成工程では、前記レーザー光を前記第１の方向に沿って分岐して照射することが好ましい。

本適用例の製造方法によれば、レーザー光を第１の方向に沿って分岐して照射するので、アンプルの長手方向に沿った複数箇所で並行して貫通孔を形成することができる。

［適用例６］上記適用例に係る磁気計測装置の製造方法であって、前記貫通孔形成工程では、回折格子を用いて前記レーザー光を分岐することが好ましい。

本適用例の製造方法によれば、回折格子を用いてレーザー光を第１の方向に沿って分岐することができる。

［適用例７］上記適用例に係る磁気計測装置の製造方法であって、前記貫通孔形成工程では、前記複数箇所のうちの一部の箇所に重複して前記レーザー光を照射することが好ましい。

本適用例の製造方法によれば、複数箇所のうちの一部の箇所に重複してレーザー光を照射するので、一部の箇所においてより大きな貫通孔を形成することができる。そのため、より短時間で第１室内にアルカリ金属ガスを充満させることができる。

［適用例８］本適用例に係る磁気計測装置は、磁場を計測する磁気計測装置であって、第１室と、第２室と、前記第１室と前記第２室とを連通する連通孔と、を有するセル部と、前記第２室に配置されたアンプルと、前記第１室と前記第２室とに充填されたアルカリ金属のガスと、を備えたガスセルを含み、前記第２室には、前記アンプルが落ち着く所定の位置が設けられ、前記アンプルには、複数の貫通孔が形成されていることを特徴とする。

本適用例の構成によれば、アンプルに複数の貫通孔が形成されているので、貫通孔が１箇所だけ形成されている場合と比べて、アンプルの気密を破る確率を高めるとともに、内部のアルカリ金属材料が露出する面積を広くして短時間で第２室から連通孔を介して第１室内にアルカリ金属ガスを充満させることができる。また、アンプルが落ち着く所定の位置に配置された状態でレーザー光を照射して貫通孔を形成することができるので、アンプルが落ち着く位置がない場合と比べて、アンプルにレーザー光を照射する位置合わせをより精度良く行うことができる。これらにより、生産性を向上させることが可能な磁気計測装置を提供することができる。

本実施形態に係る磁気計測装置の構成を示すブロック図。 第１の実施形態に係るガスセルの構成を示す概略図。 第１の実施形態に係るガスセルおよびアンプルの構成を示す概略図。 第１の実施形態に係るガスセルの製造方法を説明する図。 第１の実施形態に係るガスセルの製造方法を説明する図。 第１の実施形態に係るガスセルの製造方法を説明する図。 第２の実施形態に係るレーザー光の照射方法を説明する図。 変形例１に係る貫通孔の形成例を示す概略図。 変形例２に係るガスセルの構成例を示す概略図。

以下、本発明を具体化した実施形態について図面を参照して説明する。使用する図面は、説明する部分が認識可能な状態となるように、適宜拡大、縮小、あるいは誇張して表示している。また、説明に必要な構成要素以外は図示を省略する場合がある。

（第１の実施形態）
＜磁気計測装置の構成＞
第１の実施形態に係る磁気計測装置の構成について、図１を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る磁気計測装置の構成を示すブロック図である。本実施形態に係る磁気計測装置１００は、非線形光学回転（Nonlinear Magneto-Optical Rotation：ＮＭＯＲ）を用いた磁気計測装置である。磁気計測装置１００は、例えば、心臓からの磁場（心磁）や脳からの磁場（脳磁）などの生体から発生される微小な磁場を測定する生体状態測定装置（心磁計または脳磁計など）に用いられる。磁気計測装置１００は、金属探知機などにも用いることができる。

図１に示すように、磁気計測装置１００は、光源１と、光ファイバー２と、コネクター３と、偏光板４と、ガスセル１０と、偏光分離器５と、光検出器（Photo Detector：ＰＤ）６と、光検出器７と、信号処理回路８と、表示装置９とを備えている。ガスセル１０内には、アルカリ金属ガス（気体の状態のアルカリ金属原子）が封入されている。アルカリ金属としては、例えば、セシウム（Ｃｓ）、ルビジウム（Ｒｂ）、カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）などを用いることができる。以下では、アルカリ金属としてセシウムを用いる場合を例に取り説明する。

光源１は、セシウムの吸収線に応じた波長（例えばＤ１線に相当する８９４ｎｍ）のレーザービームを出力する装置、例えばチューナブルレーザーである。光源１から出力されるレーザービームは、連続的に一定の光量を有する、いわゆるＣＷ（Continuous Wave）光である。

偏光板４は、レーザービームを特定方向に偏光させ、直線偏光にする素子である。光ファイバー２は、光源１により出力されたレーザービームを、ガスセル１０側に導く部材である。光ファイバー２には、例えば、基本モードのみを伝播するシングルモードの光ファイバーが用いられる。コネクター３は、光ファイバー２を偏光板４に接続するための部材である。コネクター３は、ねじ込み式で、光ファイバー２を偏光板４に接続する。

ガスセル１０は、内部に空隙を有する箱（セル）であり、この空隙（図２（ｂ）に示す主室１４）にはアルカリ金属の蒸気（図２（ｂ）に示すアルカリ金属ガス１３）が封入されている。ガスセル１０の構成については、後述する。

偏光分離器５は、入射したレーザービームを、互いに直交する２つの偏光成分のビームに分離する素子である。偏光分離器５は、例えば、ウォラストンプリズムまたは偏光ビームスプリッターである。光検出器６および光検出器７は、レーザービームの波長に感度を有する検出器であり、入射光の光量に応じた電流を信号処理回路８に出力する。光検出器６および光検出器７は、それ自体が磁場を発生すると測定に影響を与える可能性があるので、非磁性の材料で構成されることが望ましい。光検出器６および光検出器７は、ガスセル１０からみて偏光分離器５と同じ側（下流側）に配置される。

磁気計測装置１００における各部の配置を、レーザービームの経路に沿って説明すると、レーザービームの経路の最上流には光源１が位置し、以下、上流側から、光ファイバー２、コネクター３、偏光板４、ガスセル１０、偏光分離器５、および光検出器６，７の順で配置されている。

磁気計測装置１００における各部の動作を、レーザービームの進行に沿って説明する。光源１から出力されたレーザービームは、光ファイバー２に導かれて偏光板４に到達する。偏光板４に到達したレーザービームは、偏光度がより高い直線偏光になる。ガスセル１０を透過しているレーザービームは、ガスセル１０に封入されているアルカリ金属原子を励起（光ポンピング）する。このとき、レーザービームは、磁場の強さに応じた偏光面回転作用を受けて偏光面が回転する。ガスセル１０を透過したレーザービームは偏光分離器５により２つの偏光成分のビームに分離される。２つの偏光成分のビームの光量は、光検出器６および光検出器７で計測（プロービング）される。

信号処理回路８は、光検出器６および光検出器７により計測されたビームの光量を示す信号をそれぞれから受け取る。信号処理回路８は、受け取った各信号に基づいて、レーザービームの偏光面の回転角を計測する。偏光面の回転角は、レーザービームの伝播方向の磁場の強さに基づく関数で表される（例えば、Ｄ．バドカー、外５名，「原子の共鳴非線形磁気光学回転効果」，レビュー・オブ・モダン・フィジクス誌，米国，米国物理学会，２００２年１０月，第７４巻，第４号，ｐ．１１５３−１２０１の数式（２）を参照。数式（２）は線形光学回転に関するものであるが、ＮＭＯＲの場合もほぼ同様の式を用いることができる）。信号処理回路８は、偏光面の回転角からレーザービームの伝播方向における磁場の強さを測定する。表示装置９は、信号処理回路８により測定された磁場の強さを表示する。

続いて、第１の実施形態に係るガスセルとガスセルに用いられるアンプルとについて、図２および図３を参照して説明する。図２は、第１の実施形態に係るガスセルの構成を示す概略図である。詳しくは、図２（ａ）はガスセルの概略平面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ’線に沿った概略断面図であり、図２（ｃ）はガスセルの側面図である。図３は、第１の実施形態に係るガスセルおよびアンプルの構成を示す概略図である。図３（ａ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ’線に沿ったガスセルの概略断面図であり、図３（ｂ）はアンプルの長手方向に沿った概略断面図であり、図３（ｃ）は図３（ｂ）のＣ−Ｃ’線に沿った概略断面図である。

＜ガスセルの構成＞
図２（ａ），（ｂ），（ｃ）および図３（ａ）に、第１の実施形態に係るガスセル１０を示す。図２（ａ），（ｂ），（ｃ）および図３（ａ）において、ガスセル１０の高さ方向をＺ軸とし、上方側を＋Ｚ方向とする。Ｚ軸と交差する方向であって、ガスセル１０の長さ方向を第１の方向としてのＸ軸とし、図２（ａ），（ｂ）における右側を＋Ｘ方向とする。そして、Ｚ軸およびＸ軸と交差する方向であって、ガスセル１０の幅方向を第２の方向としてのＹ軸とし、図２（ｃ）および図３（ａ）の紙面における左側を＋Ｙ方向とする。

図２（ａ）はガスセル１０を＋Ｚ方向側からみた平面図であり、図２（ｂ）はガスセル１０をＡ−Ａ’線に沿った断面を−Ｙ方向側から見た断面図であり、図２（ｃ）はガスセル１０を−Ｘ方向側から見た側面図である。なお、本明細書では、図２（ａ）に示すようにガスセル１０を＋Ｚ方向側から見ることを「平面視」という。また、ガスセル１０の断面を断面と交差する方向から見ること、例えば、図２（ｂ）に示すようにＸ軸に沿った断面を−Ｙ方向側から見ることを「断面視」という。

図２（ａ）に示すように、本実施形態に係るガスセル１０は、セル部１２と封止部１９とで構成される。セル部１２は、内部に空隙を有する箱（セル）であり、例えば、石英ガラスにより形成されている。セル部１２の内壁は、例えばパラフィンなどによりコーティングされていてもよい。セル部１２の厚さは、１ｍｍ〜５ｍｍであり、例えば、１．５ｍｍ程度である。

セル部１２は、内部の空隙として、第１室としての主室１４と、第２室としてのリザーバー１６とを有している。主室１４とリザーバー１６とは、Ｘ方向に沿って並ぶように配置されており、連通孔１５を介して連通している。リザーバー１６には、アンプル２０が配置されている。アンプル２０の構成については後述する。リザーバー１６の−Ｘ方向側、すなわち連通孔１５の反対側には、開口部１８が設けられている。

なお、Ａ−Ａ’線は、Ｘ軸方向に沿って開口部１８の中心とリザーバー１６と連通孔１５の中心と主室１４とを通る線である。Ｂ−Ｂ’線は、Ｙ軸方向に沿ってリザーバー１６とアンプル２０とを通る線である。

図２（ｂ）に示すように、連通孔１５は、主室１４およびリザーバー１６の上方側（＋Ｚ方向側）に設けられている。開口部１８は、リザーバー１６の上方側に設けられている。セル部１２の内部の主室１４とリザーバー１６とには、アルカリ金属が蒸発したガス（以下ではアルカリ金属ガスという）１３が充填されている。主室１４とリザーバー１６とには、アルカリ金属ガス１３の他に、希ガス等の不活性ガスが存在していてもよい。

図２（ｃ）に示すように、連通孔１５は円形状である。連通孔１５の内径は、例えば、０．４ｍｍ〜１ｍｍ程度である。開口部１８も円形状である。開口部１８の内径は、例えば、０．４ｍｍ〜１．５ｍｍ程度である。開口部１８は封止部１９により封止されており、これにより、セル部１２（主室１４およびリザーバー１６）が密封されている。封止部１９は、例えば矩形状であるが、円形状など他の形状であってもよい。封止部１９の材料としては、例えば、石英ガラスが用いられる。封止部１９は、例えば、開口部１８の周囲に配置された低融点ガラスフリット（図示しない）を介してセル部１２に固着されている。

図３（ａ）に示すように、リザーバー１６は、底部側（−Ｚ方向側）に、Ｙ軸方向に沿って傾斜する傾斜面３１ａと傾斜面３１ｂとを有している。傾斜面３１ａは＋Ｙ方向に向かって上方側から底部側へ傾斜しており、傾斜面３１ｂは−Ｙ方向に向かって上方側から底部側へ傾斜している。これらの互いに反対向きに傾斜して交差する２つの傾斜面３１ａ，３１ｂによって、Ｙ軸方向に沿った断面視で山状の凸状部が構成されている。傾斜面３１ａ，３１ｂ同士が交差する交差部３２が、断面視で山状の凸状部の頂点となっている。平面視では、交差部３２はＸ軸方向に沿って稜線状に延在している（図２（ａ）参照）。

＜アンプルの構成＞
図３（ｂ）に示すように、アンプル２０は長手方向を有している。図３（ｂ）には、アンプル２０を、その長手方向がＸ軸方向に沿うように配置したときのＸ−Ｚ断面を示している。アンプル２０は、中空状のガラス管２２で構成される。ガラス管２２は、例えば、ホウ珪酸ガラスにより形成されている。

ガラス管２２は、一方向（図３（ｂ）ではＸ軸方向）に沿って延在しており、その両端部が溶着されている。これにより、内部が中空状のガラス管２２は密封されている。なお、ガラス管２２の両端部の形状は、図３（ｂ）に示すような丸い形状に限定されず、平面に近い形状や一部が尖った形状などであってもよい。ガラス管２２の中空状の内部には、アルカリ金属材料としてのアルカリ金属固体（粒状や粉末状のアルカリ金属原子）２４が充填されている。アルカリ金属固体２４としては、上述したように、セシウムの他に、ルビジウム、カリウム、ナトリウムを用いることができる。

図３（ｂ）には、アンプル２０（ガラス管２２）が密封された状態を示している。アンプル２０が製造された段階ではガラス管２２は密封された状態であるが、ガスセル１０が完成した段階では、ガラス管２２に貫通孔２１が形成され密封が破られる（図３（ａ）参照）。これにより、アンプル２０内のアルカリ金属固体２４が蒸発してガスセル１０内に流出し、セル部１２の空隙がアルカリ金属ガス１３で満たされる（図２（ｂ）参照）。なお、アンプル２０内からアルカリ金属固体２４が蒸発して流出し易くなるように、アンプル２０の上面とセル部１２の内面との間には、例えば＋Ｚ方向に１．５ｍｍ程度の隙間が設けられている。

図３（ｃ）に、アンプル２０の長手方向と交差する方向におけるＹ−Ｚ断面を示す。図３（ｃ）に示すように、ガラス管２２のＹ−Ｚ断面形状は、例えば略円形であるが、他の形状であってもよい。ガラス管２２の外径φは、０．２ｍｍ≦φ≦１．２ｍｍである。ガラス管２２の肉厚ｔは、０．１ｍｍ≦ｔ≦０．５ｍｍであり、概ね外径φの２０％程度であることが好ましい。ガラス管２２の肉厚ｔが０．１ｍｍ未満であるとガラス管２２が破損し易くなり、ガラス管２２の肉厚ｔが０．５ｍｍを超えると、ガラス管２２に貫通孔２１を形成する加工（詳細は後述する）が困難となる。

＜リザーバー内におけるアンプルの配置＞
図３（ａ）に示すように、アンプル２０は、リザーバー１６内における所定の位置として、傾斜面３１ｂとリザーバー１６の側壁１６ａとに接する位置に配置されている。アンプル２０は、その長手方向が側壁１６ａの延在方向、すなわちＸ軸方向に沿うように配置されている（図２（ａ）参照）。これにより、アンプル２０は、リザーバー１６内に安定した状態で保持される。

図３（ａ）に、リザーバー１６の−Ｘ方向側に配置された開口部１８をＢ−Ｂ’線に沿った断面に投影した位置を２点鎖線で示す。開口部１８は、アンプル２０が配置される上述の所定の位置から＋Ｙ方向に離れた位置に設けられている。より具体的には、開口部１８は、Ｙ軸方向においてアンプル２０が配置される所定の位置と交差部３２との間、すなわち傾斜面３１ｂにおける最も低い所定の位置よりも上方側の位置であって、傾斜面３１ｂよりも高い位置に設けられている。

開口部１８は、アンプル２０をリザーバー１６内に収納するための孔である。開口部１８が傾斜面３１ｂにおける上方側の位置に設けられているので、開口部１８から挿入されたアンプル２０は、傾斜面３１ｂに沿って最も低い位置である所定の位置に移動する。

連通孔１５は、アンプル２０が配置される上述の所定の位置から離れた位置に設けられていることが好ましい。連通孔１５は、リザーバー１６内でアルカリ金属固体２４が蒸発したアルカリ金属ガス１３を主室１４へ流出させるための孔である。一方で、アンプル２０に貫通孔２１を形成する際に発生したガラス管２２の破片やアンプル２０内から放出されたアルカリ金属固体２４が連通孔１５を通って主室１４内に侵入すると、磁気計測装置１００の計測精度の低下を招くこととなる。したがって、連通孔１５は、リザーバー１６内の高い位置に設けられていることが好ましい。なお、開口部１８に対する連通孔１５の相対的な位置は、特に限定されない。

ここで、アンプル２０の径をφとし、開口部１８の内径をＤ１とし、連通孔１５の内径をＤ２とする。また、リザーバー１６における室内の幅をＷとし、室内の高さをＨ１とし、交差部３２の高さをＨ２とする。アンプル２０は、開口部１８を通ることが必須であり、連通孔１５を通らないことが望ましいので、Ｄ２＜φ＜Ｄ１となる。アンプル２０をリザーバー１６内に容易に収納し安定した状態で所定の位置に保持するためには、φ／２＜Ｈ２＜（Ｈ１−φ）であり、かつ、Ｈ２≦（Ｈ１−Ｄ１）であって、４φ＜Ｗであることが好ましい。

例えば、アンプル２０の径φを１．０ｍｍとすると、開口部１８の内径Ｄ１を１．２ｍｍ程度とし、連通孔１５の内径Ｄ２を０．４ｍｍ程度とすることができる。また、リザーバー１６における室内の幅Ｗを５．０ｍｍ程度とし、室内の高さＨ１を２．５ｍｍ程度とし、交差部３２の高さＨ２を１．２ｍｍ程度とすることができる。

＜ガスセルの製造方法＞
次に、ガスセル１０の製造方法を図４、図５、および図６を参照して説明する。図４、図５、および図６は、第１の実施形態に係るガスセルの製造方法を説明する図である。詳しくは、図４（ａ）は図２（ｂ）に対応するガスセル１０の概略断面図であり、図４（ｂ）および図４（ｃ）は図２（ｃ）に対応するガスセル１０の側面図である。図５（ａ）は図３（ａ）に対応するガスセル１０の断面図であり、図５（ｂ）は図３（ｂ）に対応するアンプル２０の断面図であり、図５（ｃ）は図５（ｂ）のアンプル２０を＋Ｚ方向側からみた平面図である。図６（ａ）および図６（ｂ）はレーザー光の照射方法を説明する図である。

まず、図４（ａ）に示すセル部１２を用意する。図示を省略するが、例えば、石英ガラスからなるガラス板を切断して、セル部１２を構成する各壁面に対応するガラス板部材を準備する。そして、これらのガラス板部材を組立て、ガラス板部材同士を接着剤または溶着により接合して、図４（ａ）に示すような主室１４とリザーバー１６とを有するセル部１２を得る。この段階では、セル部１２の開口部１８は開放されている。なお、リザーバー１６内の傾斜面３１ａ（図３（ａ）参照），３１ｂは、ガラス板部材を加工して傾斜面を形成するか、または、ガラス板部材を斜めに配置して接合することで構成できる。

続いて、セル部１２のリザーバー１６内にアンプル２０を収納する（配置工程）。図４（ｂ）に示すように、アンプル２０は、セル部１２のリザーバー１６側に設けられた開口部１８から挿入され、リザーバー１６内に収納される。開口部１８は傾斜面３１ｂよりも高い位置にあるので、開口部１８から挿入されたアンプル２０は、傾斜面３１ｂ上に落下する。なお、開口部１８を交差部３２寄りに設けることで、アンプル２０が開口部１８から挿入されて傾斜面３１ｂ上に落下する際の落差を小さくして、アンプル２０が衝撃などで不用意に破損するリスクを低減できる。

また、開口部１８は、アンプル２０が配置される所定の位置に対して、傾斜面３１ｂにおける上方側に配置されている。そのため、アンプル２０は、傾斜面３１ｂ上を滑るように、あるいは、その長手方向を回転軸として傾斜面３１ｂを転がるようにして、傾斜面３１ｂに沿って矢印で示す底部側へ移動する。そして、アンプル２０は、側壁１６ａに接する位置、すなわち所定の位置で停止する。このとき、アンプル２０は、傾斜面３１ｂと側壁１６ａとに案内されて、その長手方向がＸ軸方向に沿うように配置される。したがって、アンプル２０を容易にリザーバー１６内の所定の位置に配置できる。この傾斜面３１ｂと側壁１６ａとに接する所定の位置が、アンプル２０の落ち着く位置である。

なお、この段階では、アンプル２０は、図３（ｂ）に示すように、中空状のガラス管２２の内部にアルカリ金属固体２４が充填され密封された状態となっている。アンプル２０は、真空に近い低圧環境下（理想的には真空中）において、管状のガラス管２２の中空状の内部にアルカリ金属固体２４を充填し、ガラス管２２の両端部をそれぞれ溶着し密封して形成する。アルカリ金属固体２４として用いられるセシウムなどのアルカリ金属は、反応性に富み大気中で取り扱うことができないため、低圧環境下でアンプル２０内に密封された状態でセル部１２に収納される。

続いて、図４（ｃ）に示すように、セル部１２内の脱気を十分に行い、内部の空隙に不純物が極めて少ない状態で、セル部１２（主室１４、連通孔１５、およびリザーバー１６）を密封する（封止工程）。例えば、真空に近い低圧環境下（理想的には真空中）において、セル部１２および封止部１９の少なくとも一方における開口部１８の周囲に低融点ガラスフリット（図示しない）を配置し、セル部１２と封止部１９とを固着して封止することにより、セル部１２が密封される。

続いて、図５（ａ）に示すように、パルスレーザー光７０を、セル部１２を間に介してアンプル２０のガラス管２２に照射し、ガラス管２２に複数の貫通孔２１（図５（ｂ）参照）を形成する（貫通孔形成工程）。レーザー光は指向性や収束性に優れているので、パルスレーザー光７０を照射することにより、ガラス管２２に容易に貫通孔２１を形成することができる。

ここでは、セル部１２に損傷を与えることなく、アンプル２０のガラス管２２に貫通孔２１を形成する必要がある。そこで、セル部１２が石英ガラスで形成されガラス管２２がホウ珪酸ガラスで形成されている場合、例えば、紫外線領域の波長のパルスレーザー光７０を用いる。紫外線領域の波長の光は、石英ガラスを透過するが、ホウ珪酸ガラスには僅かに吸収される。これにより、セル部１２に損傷を与えることなく、アンプル２０のガラス管２２を選択的に加工して貫通孔２１を形成することができる。

図６（ａ）に、貫通孔形成工程におけるパルスレーザー光７０の照射方法を模式的に示す。図６（ａ）に示すように、第１の実施形態では、ガルバノスキャナー７２を用いてレーザー発振器（図示しない）から発せられたパルスレーザー光７０の角度を振り、ｆθレンズ７４を用いて集光させることにより、複数のビーム７０ａ，７０ｂ，７０ｃを発生させる。なお、ｆθレンズ７４は、例えば、焦点距離が７８ｍｍのものを用いることができる。

パルスレーザー光７０の照射条件としては、例えば、パルス幅を３０ｎｍ程度とし、照射点（加工点）１点当たりのパルスエネルギーを５０μＪ／ｐｕｌｓｅ〜２００μＪ／ｐｕｌｓｅ程度とする。複数のビーム７０ａ，７０ｂ，７０ｃを照射する位置は、アンプル２０が配置される所定の位置を基準として設定される。より具体的には、ビーム７０ａ，７０ｂ，７０ｃの照射点を、Ｘ軸方向、すなわちアンプル２０の長手方向に沿った３点とする。そして、図６（ｂ）に示すように、照射時間Ｔを１００ｍｓｅｃ程度とし、照射の間隔を３０μｍ程度として、Ｘ軸方向に沿って走査して照射する。

このように、パルスレーザー光７０から複数のビーム７０ａ，７０ｂ，７０ｃを発生させてアンプル２０に照射することにより、ガラス管２２において複数の照射点（加工点）で並行して加工が行われる。この加工により、図５（ｂ）および図５（ｃ）に示すように、アンプル２０の長手方向であるＸ軸方向に沿って一列に並ぶように、ガラス管２２に複数の貫通孔２１が形成される。

複数のビーム７０ａ，７０ｂ，７０ｃをアンプル２０の長手方向に沿って照射するので、アンプル２０に容易に複数の貫通孔２１を形成することができる。また、ビーム７０ａ，７０ｂ，７０ｃを照射する複数の照射点のそれぞれをアンプルの長手方向における幅の中心に合わせ易くなるので、複数の貫通孔２１のそれぞれにおいてより確実に気密を破ることができる。

アンプル２０に貫通孔２１を形成することにより、図３（ａ）に示すように、セル部１２のリザーバー１６内でアンプル２０の密封が破られ、アンプル２０内からアルカリ金属固体２４が蒸発しアルカリ金属ガス１３となって流出する。図２（ｂ）に示すように、リザーバー１６内に流出したアルカリ金属ガス１３は、連通孔１５を通ってセル部１２の主室１４に流入し拡散する。この結果、セル部１２の空隙がアルカリ金属ガス１３で満たされる。

ここで、貫通孔形成工程において、パルスレーザー光７０を１点に照射して１箇所に貫通孔２１を形成する加工だけでは、深さ方向の加工が不十分でアンプル２０の気密が破れない場合がある。特に、リザーバー１６内でアンプル２０が安定した状態で保持されていないと、セル部１２を取り扱う際のわずかな傾きや衝撃、あるいは、パルスレーザー光７０が照射されたことによる衝撃で、アンプル２０が動いてその位置がずれてしまうことがある。アンプル２０の位置がずれると、アンプル２０に対するパルスレーザー光７０の照射点が相対的にずれることとなり、深さ方向の加工が不十分となってしまう。

また、貫通孔２１が形成できても、１箇所の貫通孔２１からではアンプル２０内のアルカリ金属固体２４の蒸発量が少なく、主室１４内にアルカリ金属ガス１３が充満するまでに長時間を要する場合がある。そこで、確実に貫通孔２１を形成するため、あるいは、アルカリ金属固体２４の蒸発量を多くするために、パルスレーザー光７０を１箇所に照射する加工を何回も繰り返して行うと、製造工数の増大を招いてしまうという課題がある。

本実施形態では、貫通孔形成工程においてアンプル２０の複数箇所にパルスレーザー光７０（ビーム７０ａ，７０ｂ，７０ｃ）を照射して、アンプル２０に複数の貫通孔２１を並行して形成する。そのため、パルスレーザー光７０を１箇所だけに照射する場合と比べて、アンプル２０の気密を破って貫通孔２１を形成する確率を高めるとともに、気密を破る範囲（アルカリ金属固体２４が露出する面積）を広くして短時間で主室１４内にアルカリ金属ガス１３を充満させることができる。そして、貫通孔形成工程においてアンプル２０に複数の貫通孔２１を並行して形成できるので、パルスレーザー光７０を１箇所に照射する工程を繰り返す場合と比べて、製造工数を低減することができる。

また、本実施形態では、リザーバー１６の底部側にアンプル２０が落ち着く所定の位置を有しており、アンプル２０がリザーバー１６内でＸ軸方向に沿って所定の位置に配置され、かつ、その位置に安定した状態で保持される。これにより、アンプル２０に安定的かつ確実に貫通孔２１を形成できるので、ガスセル１０の製造歩留まりの低下や製造工数の増大を抑え、生産性を向上させることができる。

なお、アンプル２０に貫通孔２１を形成する工程では、アンプル２０内からアルカリ金属固体２４が蒸発して流出すればよいので、貫通孔２１の形成に限定されず、例えば、ガラス管２２に亀裂を生じさせてアンプル２０を分断してもよいし、ガラス管２２を破壊してもよい。しかしながら、このような場合に、ガラス管２２の破片やアンプル２０内から放出されたアルカリ金属固体２４が連通孔１５を通って主室１４内に侵入すると、磁気計測装置１００の計測精度の低下を招くこととなる。

本実施形態では、連通孔１５が、アンプル２０が配置される所定の位置から離れた位置であってリザーバー１６内の高い位置に設けられているので、ガラス管２２の破片やアルカリ金属固体２４の主室１４内への侵入を抑えることができる。これにより、優れた計測精度を有する磁気計測装置１００を製造し提供することができる。

なお、本実施形態に係る磁気計測装置１００の製造方法は、上述したガスセル１０の製造方法を含んでいる。本実施形態に係る磁気計測装置１００を製造する工程は、ガスセル１０を製造する工程以外の工程では公知の方法を用いることができるため、その説明を省略する。

（第２の実施形態）
第２の実施形態は、第１の実施形態に対して、ガスセルの製造方法におけるパルスレーザー光７０から複数のビーム７０ａ，７０ｂ，７０ｃを発生させる方法が異なるが、それ以外の方法はほぼ同じであり、磁気計測装置１００の構成も同じである。第２の実施形態に係るガスセルの製造方法について、図７を参照して、第１の実施形態と異なる点を説明する。図７は、第２の実施形態に係るレーザー光の照射方法を説明する図である。なお、第１の実施形態と共通する構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。

＜ガスセルの製造方法＞
図７に、第２の実施形態に係る貫通孔形成工程におけるパルスレーザー光７０の照射方法を模式的に示す。図７に示すように、第２の実施形態では、回折格子７６を用いてレーザー発振器（図示しない）から発せられたパルスレーザー光７０を複数のビーム７０ａ，７０ｂ，７０ｃに分岐し、フーリエ変換レンズ７８を用いてビーム７０ａ，７０ｂ，７０ｃの焦点をアンプル２０に合わせる。

光学的な条件としては、例えば、パルスレーザー光７０の波長を３５５ｎｍ程度とし、焦点距離を７８ｍｍ程度とし、回折格子の分岐数を３とし、回折格子周期を９２３μｍ程度とする。パルスレーザー光７０を、アンプル２０の長手方向であるＸ軸方向に沿って３つのビーム７０ａ，７０ｂ，７０ｃに分岐させる。これにより、Ｘ軸方向に沿って直線状に３つのビーム７０ａ，７０ｂ，７０ｃが発生し、各ビームの分岐間隔は３０μｍとなる。

パルスレーザー光７０の照射条件としては、例えば、パルス幅を３０ｎｍ程度とし、照射点（加工点）１点当たりのパルスエネルギーを５０μＪ／ｐｕｌｓｅ〜２００μＪ／ｐｕｌｓｅ程度とし、照射時間を３００ｍｓｅｃ程度とする。これにより、ガラス管２２において複数の照射点（加工点）で並行して加工が行われ、第１の実施形態と同様に、アンプル２０の長手方向であるＸ軸方向に沿って一列に並ぶように、ガラス管２２に複数の貫通孔２１が形成される（図５（ｂ）および図５（ｃ）参照）。

ビーム７０ａ，７０ｂ，７０ｃの分岐間隔は、回折格子７６の周期を変えたものを用いることにより、上述の分岐間隔から変えることができる。なお、回折格子７６の断面が正弦波形などのアナログ形状のものを用いると、回折効率が９０％以上となるので、パルスレーザー光７０の損失を低減することができる。また、回折格子７６にセル型のＣＧＨ（計算機ホログラム）を用いると、任意の箇所に複数のビーム７０ａ，７０ｂ，７０ｃを照射することができる。

第２の実施形態においても、貫通孔形成工程においてアンプル２０に複数の貫通孔２１を並行して形成できるので、レーザー光を１箇所に照射する工程を繰り返す場合と比べて、製造工数を低減することができる。そして、アンプル２０に安定的かつ確実に貫通孔２１を形成できるので、ガスセル１０の製造歩留まりの低下や製造工数の増大を抑え、生産性を向上させることができる。

上述した実施形態は、あくまでも本発明の一態様を示すものであり、本発明の範囲内で任意に変形および応用が可能である。変形例としては、例えば、以下のようなものが考えられる。

（変形例１）
上記実施形態の磁気計測装置の製造方法では、貫通孔形成工程においてアンプル２０にＸ軸方向に沿って一列に並ぶように複数の貫通孔２１を形成する構成であったが、本発明はこのような構成に限定されない。複数の貫通孔２１を、他の方向に沿って、あるいは、一列に並ばない状態で形成する構成であってもよい。図８は、変形例１に係る貫通孔の形成例を示す概略図である。図８（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）は図５（ｃ）のアンプル２０を＋Ｚ方向側からみた平面図に対応する。

図８（ａ）に示すように複数の貫通孔２１をＹ軸方向に沿って形成してもよいし、図８（ｂ）に示すように複数の貫通孔２１をＸ軸方向とＹ軸方向とに沿って交差するように形成してもよいし、図８（ｃ）に示すように複数の貫通孔２１が円弧状など曲線状に並ぶように形成してもよい。また、図８（ｄ）に示すように、複数の貫通孔２１が互いに連続するように形成してもよい。さらに、図８（ｅ）に示すように、パーカッション加工やトレパニング加工などにより、形成した３つの貫通孔２１（または、そのうちの一部）に重複してパルスレーザー光７０（ビーム７０ａ，７０ｂ，７０ｃ）を照射し、貫通孔２１の径を大きく加工してもよい。

（変形例２）
上記実施形態の磁気計測装置１００のガスセル１０は、リザーバー１６の底部側に交差部３２がＸ軸方向に沿って稜線状に延在する山状の凸状部を有していたが、本発明はこのような構成に限定されない。例えば、リザーバーの底部側に谷状の凹状部を有していてもよいし、交差部がＹ軸方向に沿って稜線状に延在する山状の凸状部を有していてもよい。図９は、変形例２に係るガスセルの構成例を示す概略図である。

図９（ａ）に、リザーバー４６の底部側に谷状の凹状部を有するガスセル４０の概略断面図を示す。図９（ａ）は、図２（ａ）のＢ−Ｂ’線に沿った断面図に相当する。セル部４２のリザーバー４６は、底部側に、Ｙ軸方向に沿って互いに反対向きに傾斜する傾斜面３１ａと傾斜面３１ｂとを有し、これらの傾斜面３１ａ，３１ｂによってＹ軸方向に沿った断面視で谷状の凹状部が構成されている。傾斜面３１ａ，３１ｂ同士が交差する交差部３３が、断面視で谷状の凹状部の谷底となっている。

アンプル２０は、リザーバー４６内における所定の位置として、アンプル２０が傾斜面３１ａと傾斜面３１ｂとに接して落ち着く位置となる交差部３３に配置される。アンプル２０は、所定の位置において、傾斜面３１ａと傾斜面３１ｂとに接し、その長手方向がＸ軸方向に沿うように安定した状態で保持される。傾斜面３１ａの傾斜角度と傾斜面３１ｂの傾斜角度とが同じであれば、仮にアンプル２０の径φ（図３（ａ）参照）がばらついた場合でも、アンプル２０の中心は交差部３３と平面視で重なる位置に配置される。そのため、アンプル２０の径φが異なる場合やばらつく場合であっても、貫通孔形成工程において、アンプル２０の長手方向に沿って複数のビーム７０ａ，７０ｂ，７０ｃ（図６（ａ）参照）を照射する位置を容易に合わせることができる。

図９（ｂ）および図９（ｃ）に、リザーバー５６の底部側にＸ軸方向に沿って傾斜する傾斜面３５ａと傾斜面３５ｂとを有するガスセル５０を示す。図９（ｂ）はガスセル５０の概略平面図であり、図９（ｃ）は図９（ｂ）のＤ−Ｄ’線に沿った概略断面図である。図９（ｂ）に示すように、セル部５２のリザーバー５６において傾斜面３５ａ，３５ｂ同士が交差する交差部３６はＹ軸方向に沿って稜線状に延在している。アンプル２０は、その長手方向がＹ軸方向に沿うように配置される。

図９（ｃ）に示すように、アンプル２０は、リザーバー５６内における所定の位置として、アンプル２０が傾斜面３５ａとリザーバー５６の側壁５６ａとに接して落ち着く位置に、その長手方向がＹ軸方向に沿うように配置される。アンプル２０は、傾斜面３５ａとリザーバー５６の側壁５６ａとに接し、その長手方向がＹ軸方向に沿うように安定した状態で保持される。そのため、貫通孔形成工程において、アンプル２０の長手方向であるＹ軸方向に沿って複数のビーム７０ａ，７０ｂ，７０ｃ（図６（ａ）参照）を照射する位置を容易に合わせることができる。

（変形例３）
上記実施形態に係るガスセル１０を適用可能な装置は、磁気計測装置１００に限定されない。ガスセル１０は、例えば、原子時計などの原子発振器にも適用できる。原子発振器に用いられるガスセルには小型化が要求されるが、上記実施形態のガスセルの製造方法によれば、小型のガスセル１０を安定的に製造できるので、小型の原子発振器に好適に用いることができる。

１０，４０，５０…ガスセル、１２，４２，５２…セル部、１３…アルカリ金属ガス（アルカリ金属のガス）、１４…主室（第１室）、１５…連通孔、１６，４６，５６…リザーバー（第２室）、２０…アンプル、２１…貫通孔、２４…アルカリ金属固体（アルカリ金属材料）、７０…パルスレーザー光（レーザー光）、７２…ガルバノスキャナー、７６…回折格子、１００…磁気計測装置。

Claims (8)

1. 磁場を計測する磁気計測装置の製造方法であって、
   第１室と、第２室と、前記第１室と前記第２室とを連通する連通孔と、を備えたガスセルの前記第２室に、アルカリ金属材料が充填されたアンプルを配置し、前記第１室と前記第２室と前記連通孔とを密封する工程と、
   前記アンプルにレーザー光を照射することにより前記アンプルに貫通孔を形成する貫通孔形成工程と、を含み、
   前記第２室には、前記アンプルが落ち着く所定の位置が設けられ、
   前記貫通孔形成工程では、前記所定の位置を基準として前記アンプルの複数箇所に前記レーザー光を照射することを特徴とする磁気計測装置の製造方法。
2. 請求項１に記載の磁気計測装置の製造方法であって、
   前記所定の位置は、第１の方向に沿って設けられ、
   前記アンプルは、長手方向を有し、前記長手方向が前記第１の方向に沿うように前記所定の位置に配置され、
   前記貫通孔形成工程では、前記第１の方向に沿った前記複数箇所に前記レーザー光を照射することを特徴とする磁気計測装置の製造方法。
3. 請求項２に記載の磁気計測装置の製造方法であって、
   前記貫通孔形成工程では、前記レーザー光を前記第１の方向に沿って走査して照射することを特徴とする磁気計測装置の製造方法。
4. 請求項３に記載の磁気計測装置の製造方法であって、
   前記貫通孔形成工程では、ガルバノスキャナーを用いて前記レーザー光を走査することを特徴とする磁気計測装置の製造方法。
5. 請求項２に記載の磁気計測装置の製造方法であって、
   前記貫通孔形成工程では、前記レーザー光を前記第１の方向に沿って分岐して照射することを特徴とする磁気計測装置の製造方法。
6. 請求項５に記載の磁気計測装置の製造方法であって、
   前記貫通孔形成工程では、回折格子を用いて前記レーザー光を分岐することを特徴とする磁気計測装置の製造方法。
7. 請求項３から６のいずれか一項に記載の磁気計測装置の製造方法であって、
   前記貫通孔形成工程では、前記複数箇所のうちの一部の箇所に重複して前記レーザー光を照射することを特徴とする磁気計測装置の製造方法。
8. 磁場を計測する磁気計測装置であって、
   第１室と、第２室と、前記第１室と前記第２室とを連通する連通孔と、を有するセル部と、
   前記第２室に配置されたアンプルと、
   前記第１室と前記第２室とに充填されたアルカリ金属のガスと、を備えたガスセルを含み、
   前記第２室には、前記アンプルが落ち着く所定の位置が設けられ、
   前記アンプルには、複数の貫通孔が形成されていることを特徴とする磁気計測装置。

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