JP2017112515A - 原子発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】基板の歪み等を起因とした光軸ずれを低減し、外部からの熱影響を軽減することができる原子発振器を提供することを目的にする。【解決手段】金属原子が封入されているガスセルを収容する第１収容筐体と、前記第１収容筐体を収容する第２収容筐体と、光射出部と、前記第２収容筐体と前記光射出部とが設置される第１の基体と、前記第１の基体が設置される第２の基体と、を備え、前記第１の基体は前記光射出部が設置される第１基準面と、前記第１収容筐体が設置される第２基準面と、を有し、前記第２基準面側に配置される前記第１収容筐体の筐体底面壁に接する底面外側角部に装着される第１ブロックを備え、前記第１の基体は前記第１ブロックが当接する突き当て部を備え、前記第１ブロックは前記筐体底面壁と前記第２基準面との間に挟持される筐体支持部と、前記第１の基体の前記突き当て部に突き当てられる筐体位置決め部と、を有している原子発振器。【選択図】図４

Description

本発明は、原子発振器に関する。

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（例えば、特許文献１参照）。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が、量子干渉効果を利用した原子発振器は、二重共鳴現象を利用した原子発振器よりも小型化できることから、近年、様々な機器への搭載が期待されている。

量子干渉効果を利用した原子発振器は、例えば、特許文献１に開示されているように、ガス状の金属原子を封入したガスセルと、ガスセル中の金属原子に周波数の異なる２種の共鳴光を含むレーザー光を照射する光出射部と、ガスセルを透過したレーザー光を検出する光検出部と、光出射部とガスセルとの間に設けられた光学部品とを備えている。そして、このような原子発振器では、２種類の共鳴光の周波数差が特定の値のときに２種類の共鳴光の双方がガスセル内の金属原子に吸収されずに透過する電磁誘起透明化（ＥＩＴ：Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｃｙ）現象を生じるが、そのＥＩＴ現象に伴って発生する急峻な信号であるＥＩＴ信号を光検出器で検出する。

また、特許文献１に記載の原子発振器では、ガスセルおよび光検出部が第１パッケージに収納され、光出射部が第２パッケージに収納され、光学部品が第３パッケージに収納されている。各パッケージは、第１パッケージ、第３パッケージおよび第２パッケージの順に接合されており、各パッケージがそれぞれ接合された状態で、例えば基板上に搭載されて用いられる。

特開２０１２−１９１５２３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の原子発振器では、基板に外力が加わり、変形した場合、その外力が基板を介して各パッケージに伝達される。その結果、各パッケージの位置ずれ、すなわち、原子発振器の光軸ずれが生じる可能性がある。さらに、例えば環境温度の変化や、光出射部の排熱等により基板の温度が変化する可能性がある。この場合、基板上の各パッケージにも温度変化の影響を及ぼすおそれがある。

そこで、基板の歪み等を起因とした光軸ずれを低減することができ、さらに外部からの熱による影響を軽減することができる量子干渉装置を備える原子発振器を提供することを目的にする。

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〕本適用例の原子発振器は、金属原子が封入されているガスセルと、前記ガスセルを収容し、外側角部を有する第１収容筐体と、前記ガスセルを収容した前記第１収容筐体と、前記ガスセルを加熱するヒーターと、を収容し外側角部を有する第２収容筐体と、前記ガスセルに励起光を射出する光源を備える光射出部と、前記第２収容筐体と前記光射出部と、が設置される第１の基体と、制御部を備え、前記第１の基体が設置される第２の基体と、を備える原子発振器であって、前記第１の基体は、前記光射出部が設置される第１基準面と、前記第１収容筐体が設置される第２基準面と、を有し、前記第１収容筐体の前記外側角部の内、前記第２基準面側に配置される前記第１収容筐体の筐体底面壁に接する底面外側角部に装着される第１ブロックを備え、前記第１の基体は、前記第２基準面に沿った、互いに交差する方向で前記第１ブロックが当接する突き当て部を備え、前記第１ブロックは、前記筐体底面壁と前記第２基準面と、の間に挟持される筐体支持部と、前記第１の基体の前記突き当て部に突き当てられる筐体位置決め部と、を有していることを特徴とする。

光源から射出される励起光の光軸に対してガスセルの配設位置が正確に設定されないと、ガスセル内の金属原子に所定の振動を励起させることが困難となる。特に、近年の小型化された原子発振器では、なお一層、励起光の光軸とガスセルとの相対位置精度の向上が望まれている。

そこで、本適用例の原子発振器によれば、光源を備える光射射出部と、ガスセルを収容する第１収容筐体と、が載置、固定される第１の基体を有し、第１の基体には、光射出部が配置される第１基準面と、ガスセルが収容された第１収容筐体が配置される第２基準面と、が形成されている。そして、第１収容筐体の外側角部に配設される第１ブロックの筐体位置決め部が、第２の基準面に備える突き当て部に当接されることと、第１ブロックの筐体支持部によって第２基準面からの支持位置が決められることと、によって、第１基準面に配設された光射出部と、第１収容筐体と、の相対位置を正確に設定させることができる。従って、光源とガスセルとの相対位置を正確に設定することができる。

また、第１ブロックによって、第１収容筐体と第２収容筐体とは、空隙を配置させて組み立てられる。形成される空隙は第１収容筐体と、第２収容筐体と、の間の断熱領域となって、第２収容筐体外部の熱が第１収容筐体に伝達されることが防止できる。従って、第１収容筐体に収容されているガスセルに、不要な熱が伝達されることが抑制され、安定した発振性能を有する原子発振器を得ることができる。

〔適用例２〕上述の適用例において、前記第１の基体は、前記第１基準面の反対の第１裏面と、前記第２基準面の反対の第２裏面と、を有し、前記第２裏面は前記装置載置面と離間し、前記第２裏面と前記装置載置面と、の間に第２ブロックが挟持されていることを特徴とする。

上述の適用例によれば、第２ブロックが配置される第２裏面と装置載置面との離間部が、第２の基体の備えられる制御部が発生する熱を、第１の基体の第２裏面へ伝達することを防止する断熱部となり、第１の基体への余剰な熱伝達を抑制する。従って、第１の基体に載置されている第２収容筐体の内部に収容される第１収容筐体への余剰な外部からの熱伝達が抑制され、第１収容筐体に収容されるガスセルに伝達される余剰熱が抑制され、安定した発振性能を有する原子発振器を得ることができる。

〔適用例３〕上述の適用例において、前記第１ブロックおよび前記第２ブロックのどちらか一方、もしくは両方が断熱性を有していることを特徴とする。

上述の適用例によれば、第１ブロックおよび第２ブロックによって形成される断熱部としての空間領域に加え、第１の基体と第２の基体とに直接接触している第２ブロック、および第１の基体と第１収容筐体とに直接接触している第１ブロック、とが断熱性を有することで、ガスセルへの外部熱の伝達をなお一層低減することができる。

〔適用例４〕上述の適用例において、前記第１収容筐体、および前記第２収容筐体は磁気遮蔽性を有していることを特徴とする。

上述の適用例によれば、ガスセルを収容する第１収容筐体および第１収容筐体を収容する第２収容筐体の二重の収容筐体が、磁気遮蔽体であることで、磁気によるガスセル内の金属原子への影響を抑制し、発振特性の安定化を図ることが可能となる。

第１実施形態に係る原子発振器の概略構成を示す構成図。 アルカリ金属のエネルギー状態を説明する説明図。 光射出部から射出される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。 第１実施形態に係る原子発振器の概略を示す正断面図。 図４に示すＡ−Ａ´部の断面図。 第１ブロックの外観斜視図。 第１ブロックの第１収容筐体への装着の形態を示す外観斜視図。 第１の基板としてのユニット基板の外観斜視図。 ユニット基板への光射出部と、第１収容筐体と、の組み込み方法を示す外観斜視図。 第２収容筐体の組み立て状態を示す外観斜視図。 図４に示すＢ−Ｂ´部の断面を模式的に表した断面模式図。 第１収容筐体の光射出部側への第１ブロック組込方法を示す外観斜視図。 第２実施形態に係る測位システムを示す概略構成図。 第３実施形態に係るクロック伝送システムを示す概略構成図。 第４実施形態に係る移動体を示す外観斜視図。

以下、図面を参照して、本発明に係る実施形態を説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る原子発振器の概略構成を示す構成図である。また、図２は、アルカリ金属のエネルギー状態を説明する説明図、図３は、光射出部から出射される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。

先ず、本実施形態に係る原子発振器１０００の原理を簡単に説明する。原子発振器１０００では、ガスセル２１０内に、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（金属原子）が封入されている。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ており、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。

このようなガス状のアルカリ金属に対して周波数の異なる２種の共鳴光１、および共鳴光２を照射すると、共鳴光１の周波数ω１と共鳴光２の周波数ω２との差（ω１−ω２）に応じて、共鳴光１、および共鳴光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、および基底状態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、および共鳴光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（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ Ｔｒａｐｐｉｎｇ）現象、または電磁誘起透明化現象（ＥＩＴ：Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｃｙ）と呼ぶ。

光源１１２は、ガスセル２１０に向けて、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）を射出する。例えば、光源１１２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２２０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。

本実施形態に係る原子発振器１０００は、図１に示すように、後述する第１ユニット１００（以下、光源ユニット１００という）を構成する光射出部１１０に備える光源１１２から、ガスセル２１０に向かって励起光ＬＬがガスセル２１０への入射光として射出される。励起光ＬＬとして、前述したように、周波数の異なる２種の光（共鳴光１および共鳴光２）が射出される。共鳴光１の周波数ω１は、ガスセル２１０中のアルカリ金属を前述した基底状態１から励起状態に励起し得るものである。また、共鳴光２の周波数ω２は、ガスセル２１０中のアルカリ金属を前述した基底状態２から励起状態に励起し得るものである。

この光源１１２としては、前述したような励起光を射出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。

光射出部１１０から射出された励起光ＬＬは、励起光ＬＬの光軸上に設けられている光学部品２６１，２６２を透過する。光学部品２６１は、λ／４波長板であり、光源１１２から射出された直線偏光の励起光ＬＬを、円偏光（右偏光あるいは左偏光）に変換することができる。次に、光学部品２６２は、減光フィルター（ＮＤフィルター）であり、ガスセル２１０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、光源１１２の出力が大きい場合でも、ガスセル２１０に入射する励起光ＬＬを所望の光量とすることができる。

光学部品２６１によって励起光ＬＬが円偏光に変換されることによって、コイル２５０の磁場によりガスセル２１０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ＬＬがアルカリ金属原子に照射されると、励起光ＬＬ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１０００の発振特性を向上させることができる。

なお、光源１１２とガスセル２１０との間には、波長板および減光フィルターの他に、レンズ、偏光板等の他の光学部品が配置されていてもよい。また、光源１１２からの励起光の強度によっては、光学部品２６２を省略することができる。

ガスセル２１０内を透過した励起光ＬＬ（共鳴光１、共鳴光２）は、光検出部２２０により強度が検出される。励起光ＬＬの光検出部２２０による検出結果は、制御部３００に備える励起光制御部３１０に入力され、光源１１２から射出される共鳴光１、共鳴光２の周波数を光検出部２２０の検出結果に基づいて制御する。より具体的には、励起光制御部３１０は、前述した光検出部２２０によって検出された（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、光源１１２から射出される共鳴光１、共鳴光２の周波数を制御する。また、励起光制御部３１０は、光源１１２から射出される共鳴光１、共鳴光２の中心周波数を制御する。これにより、前述したようなＥＩＴ信号を検出することができる。そして、制御部３００は、図示しない水晶発振器の信号をＥＩＴ信号に同期して出力させる。

制御部３００には、温度制御部３２０、および磁場制御部３３０を備えている。温度制御部３２０には、ガスセル２１０の温度を検出する温度センサー２４０からの計測検出結果に基づいて、ヒーター２３０への通電を制御し、ガスセル２１０を所望の温度範囲内に維持する。磁場制御部３３０は、コイル２５０が発生する磁場が一定となるように、コイル２５０への通電を制御する。なお後述するが、このような制御部３００は、原子発振器１０００が実装される実装基板上に実装された電子回路装置（例えば、半導体装置）に設けられている。

より小型化された本実施形態に係る原子発振器１０００では、光源ユニット１００に備える光射出部１１０の光源１１２から射出される励起光ＬＬが、正確にガスセル２１０に入射させることが求められ、僅かな励起光ＬＬの光軸ずれを防止しなければならない。

図４および図５は、第１実施形態に係る原子発振器１０００の概略を示し、図４は正断面図、図５は図４に示すＡ−Ａ´部の断面図である。

図４および図５に示す原子発振器１０００は、量子干渉効果を利用した原子発振器である。原子発振器１０００は、制御部３００を備える半導体装置６００を含む図示しない回路部を搭載した第２の基体としてのベース基板７００と、光射出部１１０を含む光源ユニット１００と、ガスセル２１０および光検出部２２０とを含む第２ユニット２００（以下、ガスセルユニット２００という）と、が搭載される第１の基板としてのユニット基板８００と、を備えている。

光源ユニット１００は、光射出部１１０と、光射出部１１０を保持する光源保持部１２０と、を備えている。光源保持部１２０は、光射出部１１０が装着される装着部１２０ａと、光源保持部１２０をユニット基板８００へ装着、固定させる固定部１２０ｂと、を有している。固定部１２０ｂは、本実施形態ではネジ１０によってユニット基板８００の、光源ユニット１００が搭載される第１基準面８００ａ上に載置、固定される。

光射出部１１０は、柱状の貫通孔を有する本体部１１１ａと、その貫通孔の両側の開口を封鎖する１対の蓋部１１１ｂ，１１１ｃと、により構成される光源収容体１１１と、光源収容体１１１に収容、固定された光源１１２とを有する。光源１１２は、ガスセル２１０中のアルカリ金属原子を励起する励起光ＬＬを射出する機能を有する。光源１１２は、光源収容体１１１の内部に励起光ＬＬの射出方向（図示矢印の光軸方向Ｒ）に沿ってガスセル２１０と対向するように配置され、本体部１１１ａの励起光の射出方向と交差する領域に貫通孔１１１ｄが設けられており、この貫通孔１１１ｄを通って光源１１２からガスセル２１０に向かって励起光ＬＬが射出される。

ガスセル２１０を含むガスセルユニット２００は、次のような構成となっている。ガスセルユニット２００の中心部には、柱状の貫通孔を有する本体部２１０ａと、その貫通孔の両側の開口を１対の窓部２１０ｂ，２１０ｃによって封鎖することにより、内部空間Ｓが形成されたガスセル２１０を備えている。ガスセル２１０の内部空間Ｓ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。

ガスセル２１０は、ガスセル２１０を保持し、後述するヒーターに発生させる熱をガスセル２１０に伝導させるガスセル保持部材２７０により覆われている。そしてガスセル保持部材２７０のＸ軸方向に沿った外周面にコイル２５０が巻き付けられている。

光射出部１１０から射出された励起光ＬＬは、ガスセル保持部材２７０と、光軸方向Ｒと、が交差する部分に形成された貫通孔２７０ａ，２７０ｂのうち、光射出部１１０側の貫通孔２７０ａに配置された光学部品２６１，２６２を透過する。本実施形態では、光源１１２側からガスセル２１０側へ、光学部品２６１，２６２の順に配置されている。光学部品２６１は、λ／４波長板である。これにより、光源１１２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。光学部品２６２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２１０に入射する励起光の強度を調整（減少）させることができる。そのため、光源１１２の出力が大きい場合でも、ガスセル２１０に入射する励起光を所望の光量とすることができる。

ガスセル保持部材２７０の光軸方向Ｒと並行する外周部２７０ｃには、外周部２７０ｃに沿ってコイル２５０が巻き付けられている。コイル２５０は、通電により、磁場を発生させる機能を有する。これにより、ガスセル２１０中のアルカリ金属に磁場を印加することにより、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１０００の発振周波数の精度を高めることができる。なお、コイル２５０が発生する磁場は、直流磁場または交流磁場のいずれかの磁場であってもよいし、直流磁場と交流磁場とを重畳させた磁場であってもよい。また、このコイル２５０は、ガスセル２１０を囲むように設けられたソレノイドコイルであってもよいし、ガスセル２１０を挟むように設けられたヘルムホルツコイルであってもよい。

ガスセル２１０を挟んで光射出部１１０と光軸方向Ｒに沿って対向する位置に光検出部２２０を備えている。光検出部２２０は、ガスセル２１０内を透過した後述する励起光ＬＬ（共鳴光１、共鳴光２）の強度を検出する機能を有する。本実施形態では、光検出部２２０は、接着剤２０を介してガスセル保持部材２７０に接合されている。ここで、接着剤２０としては、公知の接着剤を用いることができる。また、この光検出部２２０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。

そしてガスセル２１０と、ガスセル保持部材２７０と、コイル２５０と、光検出部２２０と、は第１収容筐体４００の内部に収容されている。第１収容筐体４００は、箱状の収容体４１０と、蓋体４２０と、を備え、収容体４１０内部に、されるコイル２５０を備えガスセル２１０が保持されたガスセル保持部材２７０と、光検出部２２０と、を収納、載置し、収容体４１０を密閉するように蓋体４２０を収容体４１０に合わせることで第１収容筐体４００を構成する。第１収容筐体４００は、第１収容筐体４００の内部に対する外部からの磁気を遮蔽する機能を有し、第１収容筐体４００に収容されるガスセル２１０への外部からの磁気を遮蔽する。

収容体４１０のガスセル保持部材２７０に形成された貫通孔２７０ａに対向する位置、即ち励起光ＬＬの通過位置には、貫通孔４１０ａが設けられている。なお、貫通孔４１０ａには、励起光を透過し得る材料であれば、特に限定されないが、例えば透明ガラス、透明石英ガラス、透明水晶などが気密接合されていてもよい。このように、貫通孔４１０ａが気密接合されていることで、第１収容筐体４００内を気密空間とすることが可能となる。なお、図４および図５では、図示を省略しているが、第１収容筐体４００には、前述した部品以外の部品が収納されていてもよい。

第１収容筐体４００の収容体４１０および蓋体４２０の構成材料としては、磁気遮蔽効果を有していることがなお好ましく、例えば、鉄（Ｆｅ）、各種Ｆｅ合金（ケイ素鉄、パーマロイ、スーパーマロイ、アモルファス、センダスト）、銅（Ｃｕ）、銅合金などの軟磁性材料がより好ましい。このような材料を収容体４１０および蓋体４２０に用いることにより、外部からの磁気（磁場の変化）を第１収容筐体４００によって遮蔽することができる。これにより、外部からの磁気（磁場の変化）によるガスセル２１０内の金属原子への影響を抑制し、原子発振器１０００としての発振特性の安定化を図ることが可能となる。

図５に示すように、本実施形態に係る原子発振器１０００は、ガスセル２１０を加熱する加熱素子としてのヒーター２３０を備えている。ヒーター２３０は、通電により発熱する発熱抵抗体（発熱部）である。ヒーター２３０は、第１収容筐体４００の外部に配置され、ヒーター２３０が発生した熱は、第１収容筐体４００を介してガスセル２１０に伝達される。本実施形態では、ヒーター２３０は第１収容筐体４００の収容体４１０の外部に高熱伝導率接着剤によって接着固定される形態を例示する。しかしこれに限定されず、ヒーター２３０が発生する熱の伝達ロスを少なくする手段であれば、ヒーター２３０の配置手段は限定されない。例えば、金属ろうによるろう付け、ねじによる物理的な固定手段であってもよい。

ヒーター２３０が発生した熱は、ガスセル２１０に伝達され、ガスセル２１０を所定の温度に維持し、ガスセル２１０中のアルカリ金属をガス状に維持することができる。なお、ヒーター２３０に代えて、あるいは、ヒーター２３０と併用して、ペルチェ素子を用いてもよい。この場合、ペルチェ素子の発熱側の部分が発熱部を構成する。

また、原子発振器１０００は、図４および図５に示すように、ガスセル２１０と、ガスセル保持部材２７０と、コイル２５０と、光検出部２２０と、が内部に収納された第１収容筐体４００と、第１収容筐体４００の外部に配置されたヒーター２３０と、を収納し、磁気遮蔽性を有する第２収容筐体５００を備え、ガスセルユニット２００を構成している。

図４に示すように、第２収容筐体５００は、ガスセルユニット２００が載置されるユニット基板８００の第２基準面８００ｂ上に載置される底部５２０と、箱状の蓋体５１０と、を備え、蓋体５１０を第１収容筐体４００に被せるように配設し、蓋体５１０に形成された複数の固定鍔部５１０ａをネジ１０によって、ユニット基板８００の上面８００ｃ（図５における網掛けハッチング部）に固定することで、筐体が構成される。

そして、第１収容筐体４００の外側と、第２収容筐体５００の内側と、の間には、第１ブロック３０が配置されている。図６は第１ブロック３０、図７は第１ブロック３０の第１収容筐体４００への装着の形態を示す外観斜視図である。

図６に示すように、第１ブロック３０は立方体あるいは直方体の基本形状を有し、基本形状の１つの外側角部を含む凹部３０ａが形成されている。凹部３０ａを構成する凹面３１ａ，３１ｂ，３１ｃには、後述するように、第１収容筐体４００の外側角部に装着され、第１収容筐体４００の外面に当接する面となる。そして、凹面３１ａの裏面となる面３２ａと、凹面３１ｂの背面となる面３２ｂと、凹面３１ｃの背面となる面３２ｃと、は第２収容筐体５００の内側角部を構成する内面に当接する面となる。

後述するように、凹面３１ａと面３２ａと、で構成される厚さＴ１部、凹面３１ｂと面３２ｂと、で構成される厚さＴ２部、そして凹面３１ｃと面３２ｃと、で構成される厚さＴ３部は、第１収容筐体４００へ取り付けることにより、筐体支持部、もしくは筐体位置決め部となる。

第１ブロック３０は、本実施形態の係る原子発振器１０００では、図７に示すように第１収容筐体４００の外側角部４０１ａ〜４０１ｄ，４０２ａ〜４０２ｄに第１ブロック３０の凹部３０ａが合わされて装着される。外側角部４０１ａ〜４０１ｄは、光源ユニット１００と対向する面側、すなわち励起光ＬＬの光源１１２側の面側に構成される。外側角部４０２ａ〜４０２ｄは、光検出部２２０と対向する面側、すなわちガスセル２１０の空間Ｓを挟んで外側角部４０１ａ〜４０１ｄとは反対の面側に構成される。なお、第１収容筐体４００と、第１ブロック３０と、は、例えば接着剤もしくは粘着剤によって接着することで、第１ブロック３０が第１収容筐体４００から容易に離脱することが防止でき、原子発振器１０００の組立性を向上させることができる。

ユニット基板８００について説明する。図８はユニット基板８００の外観斜視図を示し、図９はユニット基板８００への光源ユニット１００と、第１収容筐体４００と、の組み込み方法を示す外観斜視図である。ユニット基板８００には、上述したように、光源ユニット１００と、ガスセルユニット２００と、が載置される。ガスセルユニット２００は、ガスセル２１０の所定の温度まで加熱するヒーター２３０を備えているが、余剰な熱は第２収容筐体５００を介して外部に放出される。従って、ユニット基板８００は、第２収容筐体５００からの余剰な熱を伝達しやすい金属、例えばアルミニウムなどで形成されることが好ましい。

ユニット基板８００の一方の側に、光源ユニット１００が載置される第１基準面８００ａと、第１ブロック３０を介してガスセルユニット２００に含む第１収容筐体４００が載置される第２基準面８００ｂと、上面８００ｃと、を備え、第２の基板としてのベース基板７００に載置され、当接する第１基準面８００ａの裏面側の第１裏面８００ｄと、第２基準面８００ｂの裏面となり、ベース基板７００とは離間する第２裏面８００ｅと、を備えている。なお、図８では、第１基準面８００ａ、および第２基準面８００ｂを網掛けハッチングにより示す。

ユニット基板８００の第２基準面８００ｂには、後述する第１収容筐体４００が第１ブロック３０を介して載置される時、図示するＺ軸方向に沿った矢視（以下、平面視という）において、ユニット基板８００との相対位置を案内する突き当て部としての第１突き当て部８００ｆと第２突き当て部８００ｇと、が第２基準面８００ｂから上面８００ｃに至る突起状に形成されている。第１突き当て部８００ｆは平面視におけるＹ軸方向、図示ではＹ（−）方向に交差する第１突き当て面８００ｈを有し、第２突き当て部８００ｇはＸ軸方向、図示Ｘ（−）方向に交差する第２突き当て面８００ｊを有している。そして、第１突き当て面８００ｈと第２突き当て面８００ｊとは、ユニット基板８００において、第１収容筐体４００の平面視での配置基準面として機能させることができる。

突き当て部８００ｆ，８００ｇは、図９に示すように、ユニット基板８００に第１収容筐体４００が第１ブロック３０を介して配置される時の位置決め部となる。図９に示すように、ユニット基板８００には、第１基準面８００ａ上に光源ユニット１００が載置され、図４にも示すように本実施形態ではネジ１０によってユニット基板８００に固定される。

第２基準面８００ｂには第２収容筐体５００を構成する底部５２０が載置される。そして底部５２０上に、第１収容筐体４００の外側角部に第１ブロック３０が装着された状態の第１収容筐体４００が載置される。第２基準面８００ｂ上に底部５２０と第１ブロック３０とを介して載置された第１収容筐体４００は、第１ブロック３０を介して第１突き当て面８００ｈと第２突き当て面８００ｊとに突き当てるよう、すなわち図示するＹ（−）方向とＸ（−）方向とに押し付けられながら載置される。

従って、ユニット基板８００の平面視での基準面となる第１突き当て面８００ｈと第２突き当て面８００ｊに対して平面視で正確な位置で第１収容筐体４００が配置させることができる。そして、上述した光源ユニット１００が配置されるユニット基板８００の第１基準面８００ａと、平面視での固定位置を、第１突き当て面８００ｈおよび第２突き当て面８００ｊを基準として形成することにより光源ユニット１００と、第１収容筐体４００と、の相対位置を正確に配置させることができる。

すなわち、光源ユニット１００に備る光源１１２と、第１収容筐体４００内に配置されたガスセル２１０と、の相対位置を正確に合わせて配置させることができ、光源１１２から射出される励起光ＬＬをガスセル２１０に正確に入射させることができる。

図１０は、図９で示したユニット基板８００に配置された第１収容筐体４００に、第２収容筐体５００の蓋体５１０を被せるように組み立てる状態を示す外観斜視図である。図１０に示すように蓋体５１０は、第１ブロック３０を外側角部に装着させた第１収容筐体４００を蓋体５１０の内部空間５１０ｂ内に収納するように図示するＺ軸に沿って、図示上部より被せる。この時、蓋体５１０を図示する矢印Ｐ方向、すなわち図７にて説明した光源ユニット１００側に配置される第１収容筐体４００の外側角部４０１ａ〜４０１ｄの内、第１突き当て面８００ｈと第２突き当て面８００ｊと両面に突き当てることができる、外側角部４０１ｂに装着された第１ブロック３０の面３２ｂ，３２ｃを押し当てるようにする。

より詳しく説明する。図１１は図４に示すＢ−Ｂ´部の断面を模式的に表した断面模式図である。なお、図１１は説明の便宜上、ユニット基板８００と、第２収容筐体５００と、第１ブロック３０と、第１収容筐体４００と、を模式的に図示し、その他の構成要素の図示は省略してある。

図１１に示すように、第１収容筐体４００の収容体４１０の外側角部４０１ａ〜４０１ｄ，４０２ａ〜４０２ｄの内、第１収容筐体４００のユニット基板８００側の筐体底面壁としての収容体底部４１０ｃに接する底面外側角部となる外側角部４０１ａ，４０１ｂ，４０２ａ，４０２ｂ（図７参照）それぞれに第１ブロック３０が装着され、ユニット基板８００の第２基準面８００ｂに第２収容筐体５００の底部５２０（図１１には図示せず）を介して載置される。この時、上述したように、収容体４１０の外側角部４０１ｂの装着された第１ブロック３０の第２収容筐体５００の内側角部を構成する内面と当接する面３２ｂは、ユニット基板８００の第１突き当て部８００ｆの第１突き当て面８００ｈに当接するように配置され、面３２ｃは第２突き当て部８００ｇの第２突き当て面８００ｊに当接するように配置される。

第１突き当て面８００ｈには、外側角部４０２ｂに装着された第１ブロック３０の面３２ｃも当接するように配置される。そして第２突き当て面８００ｊには、外側角部４０１ａに装着された第１ブロック３０の面３２ｂも当接するように配置される。

このように第１ブロック３０が装着された第１収容筐体４００がユニット基板８００に配置された後、第２収容筐体５００の蓋体５１０の内部空間５１０ｂ内に第１ブロック３０が装着された第１収容筐体４００が収容されるように蓋体５１０が装着される。この時、蓋体５１０を、図示するＰ方向、すなわち第１突き当て面８００ｈと第２突き当て面８００ｊとの交差する位置に向けて押し付けながら装着し、図１０に示すように、ユニット基板８００に、ねじ１０により固定鍔部５１０ａを固定させる。このようにすることにより、第１ブロック３０が装着された第１収容筐体４００が第２収容筐体５００の蓋体５１０によって、Ｐ方向に押し付けられ、第１ブロック３０は、第１突き当て面８００ｈおよび第２突き当て面８００ｊに当接する。

第１突き当て面８００ｈおよび第２突き当て面８００ｊを、ユニット基板８００の平面視での基準位置、すなわち図示するＸ−Ｙ平面における基準位置とすることで、ガスセル２１０を内部に収容する第１収容筐体４００を、ユニット基板８００の基準位置に正確に配設させることができる。そして、基準位置の第１突き当て面８００ｈおよび第２突き当て面８００ｊが基準となってガスセル２１０が配設され、上述した光源ユニット１００をユニット基板８００に装着することにより、光源ユニット１００と、ガスセル２１０と、に相対位置を正確に合わせて原子発振器１０００に組み立てることができる。

図１２は、第１ブロック３０が装着された第１収容筐体４００がユニット基板８００に載置された時、ユニット基板８００側且つ光源ユニット１００側に配置される外側角部４０１ａ，４０１ｂに装着される第１ブロック３０を例示する外観斜視図である。図１２に示すように、第１ブロック３０は、第１収容筐体４００の外側角部４０１ａ，４０１ｂに装着されユニット基板８００に載置されることで、図６によって説明した第１ブロック３０の厚みＴ１，Ｔ２，Ｔ３部は、次のような機能を有する。

第１ブロック３０の厚みＴ１部は、図４にも示すようにユニット基板８００の第２基準面８００ｂと、第２収容筐体５００の底部５２０を介して第１収容筐体４００と、によって挟持される筐体支持部となる。また、第１収容筐体４００の外側角部４０１ｂに第１ブロック３０が装着されることにより、厚みＴ２部は、ユニット基板８００の第１突き当て部８００ｆに当接し、第１収容筐体４００の図示するＹ軸方向の位置決めが行われる筐体位置決め部となる。同様に、厚みＴ３部は、ユニット基板８００の第２突き当て部８００ｇに当接し、第１収容筐体４００の図示するＸ軸方向の位置決めが行われる筐体位置決め部となる。

上述したように、光源ユニット１００と、ガスセルユニット２００と、が装着されたユニット基板８００は、図４に示すように、ベース基板７００の装置載置面としてのユニット基板載置面７００ａ（以下、基板載置面７００ａという）に装着される。ユニット基板８００とベース基板７００と、の固定方法には限定は無いが、本形態ではユニット基板８００の第１裏面８００ｄと、ベース基板７００の基板載置面７００ａと、は接着剤により接着固定されている。

ユニット基板８００の第２裏面８００ｅは図８で説明したように、基板載置面７００ａとは離間し、第２裏面８００ｅと基板載置面７００ａと、の間には空間が形成される。この空間には、第２裏面８００ｅをベース基板７００に対して支持する第２ブロック４０が配設される。

ベース基板７００には、制御部３００を備える半導体装置６００を含む図示しない回路部が搭載されている。回路部では、半導体装置６００を含む電子デバイスが動作することによって発熱し、ベース基板７００は加熱される。その熱がガスセルユニット２００に伝達されると、ガスセル２１０が所定温度を超え、安定した発振特性を得ることが困難となる虞がある。そこで、第２ブロック４０によって保持される第２裏面８００ｅと、基板載置面７００ａと、の間に形成される空間部は断熱部として機能し、基板載置面７００ａから第２裏面８００ｅへの熱伝達を防止することができる。

更に、第２ブロック４０を、例えば合成樹脂などの断熱性を有する材料により形成することで、第２ブロック４０を通じてベース基板７００から第２裏面８００ｅへの熱伝達を防止することができる。

半導体装置６００を含む電子デバイスが動作することによって回路部で生じた熱の内、ユニット基板８００の第１裏面８００ｄからユニット基板８００に伝達される熱は、ユニット基板８００内を伝達し、第２基準面８００ｂに至るものがある。第２基準面８００ｂに到達した熱は、第２収容筐体５００の底部５２０を伝達し、第２収容筐体５００の内部に収容されたガスセル２１０を収容した第１収容筐体４００へと伝達する。

しかし、図４に示すように、第１収容筐体４００は、第１ブロック３０によって、第２収容筐体５００の内面とは空間部が形成され、この空間部が第１収容筐体４００と第２収容筐体５００との断熱部として機能する。更に、空間部を保持する第１ブロック３０を、例えば合成樹脂などの断熱性を有する材料によって形成することにより、第１ブロック３０を通して第２収容筐体５００から第１収容筐体４００への熱伝達を防止することができる。

以上、述べたように、ベース基板７００の備える回路部の動作発熱による熱は、第２ブロック４０と、第２ブロック４０が配置される基板載置面７００ａと第２裏面８００ｅとの間の空間と、によって、ユニット基板８００への熱伝達が防止することができる。また、ベース基板７００の備える回路部の動作発熱による熱が第１裏面８００ｄを通してユニット基板８００に伝達されても、第１ブロック３０と、第１ブロック３０によって形成される第１収容筐体４００と、第２収容筐体５００と、の間の空間と、によって第１収容筐体４００への熱伝達が防止することができる。

従って、ガスセル２１０を所定の温度に加熱するヒーター２３０から供給される熱によって温度管理されているガスセルユニット２００に含まれるガスセル２１０に対して、余剰な熱を供給する熱源の一つである回路で発生する熱を、第１収容筐体４００へ伝達する経路を断熱することができ、安定した発振性能を有する原子発振器１０００を得ることができる。

（第２実施形態）
第２実施形態として、第１実施形態に係る原子発振器１０００を備える電子機器の一例としてＧＰＳ衛星を利用した測位システムを説明する。図１３は、ＧＰＳ衛星を利用した測位システムに本発明に係る原子発振器１０００を用いた場合の概略構成を示す図である。

図１３に示す測位システム２０００は、ＧＰＳ衛星２１００と、基地局装置２２００と、ＧＰＳ受信装置２３００とで構成されている。ＧＰＳ衛星２１００は、測位情報（ＧＰＳ信号）を送信する。基地局装置２２００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２２０１を介してＧＰＳ衛星２１００からの測位情報を高精度に受信する受信装置２２０２と、この受信装置２２０２で受信した測位情報を、アンテナ２２０３を介して送信する送信装置２２０４とを備える。

ここで、受信装置２２０２は、その基準周波数発振源として前述した本発明に係る第１実施形態の原子発振器１０００を備える電子装置である。このような受信装置２２０２は、優れた信頼性を有する。また、受信装置２２０２で受信された測位情報は、リアルタイムで送信装置２２０４により送信される。ＧＰＳ受信装置２３００は、ＧＰＳ衛星２１００からの測位情報を、アンテナ２３０１を介して受信する衛星受信部２３０２と、基地局装置２２００からの測位情報を、アンテナ２３０３を介して受信する基地局受信部２３０４とを備える。

（第３実施形態）
第３実施形態として、第１実施形態に係る原子発振器１０００を備える電子機器の一例としてクロック伝送システムを説明する。図１４は、クロック伝送システムに本発明に係る原子発振器１０００を用いた場合の概略構成を示す図である。

図１４に示すクロック伝送システム３０００は、時分割多重方式のネットワーク内の各装置のクロックを一致させるものであって、Ｎ（Ｎｏｒｍａｌ）系およびＥ（Ｅｍｅｒｇｅｎｃｙ）系の冗長構成を有するシステムである。

このクロック伝送システム３０００は、Ａ局（上位（Ｎ系））のクロック供給装置（ＣＳＭ：Ｃｌｏｃｋ Ｓｕｐｐｌｙ Ｍｏｄｕｌｅ）３００１およびＳＤＨ（Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｈｉｅｒａｒｃｈｙ）装置３００２と、Ｂ局（上位（Ｅ系））のクロック供給装置２００３およびＳＤＨ装置３００４と、Ｃ局（下位）のクロック供給装置３００５およびＳＤＨ装置３００６，３００７とを備える。クロック供給装置３００１は、原子発振器１０００を有し、Ｎ系のクロック信号を生成する。このクロック供給装置３００１内の原子発振器１０００は、セシウムを用いた原子発振器を含むマスタークロック３００８，３００９からのより高精度なクロック信号と同期して、クロック信号を生成する。

ＳＤＨ装置３００２は、クロック供給装置３００１からのクロック信号に基づいて、主信号の送受信を行うとともに、Ｎ系のクロック信号を主信号に重畳し、下位のクロック供給装置３００５に伝送する。クロック供給装置３００３は、原子発振器１０００を有し、Ｅ系のクロック信号を生成する。このクロック供給装置３００３内の原子発振器１０００は、セシウムを用いた原子発振器を含むマスタークロック３００８，３００９からのより高精度なクロック信号と同期して、クロック信号を生成する。

ＳＤＨ装置３００４は、クロック供給装置３００３からのクロック信号に基づいて、主信号の送受信を行うとともに、Ｅ系のクロック信号を主信号に重畳し、下位のクロック供給装置３００５に伝送する。クロック供給装置３００５は、クロック供給装置３００１，３００３からのクロック信号を受信し、その受信したクロック信号に同期して、クロック信号を生成する。

ここで、クロック供給装置３００５は、通常、クロック供給装置３００１からのＮ系のクロック信号に同期して、クロック信号を生成する。そして、Ｎ系に異常が発生した場合、クロック供給装置３００５は、クロック供給装置３００３からのＥ系のクロック信号に同期して、クロック信号を生成する。このようにＮ系からＥ系に切り換えることにより、安定したクロック供給を担保し、クロックパス網の信頼性を高めることができる。ＳＤＨ装置３００６は、クロック供給装置３００５からのクロック信号に基づいて、主信号の送受信を行う。同様に、ＳＤＨ装置３００７は、クロック供給装置３００５からのクロック信号に基づいて、主信号の送受信を行う。これにより、Ｃ局の装置をＡ局またはＢ局の装置と同期させることができる。

（第４実施形態）
第４実施形態として、第１実施形態に係る原子発振器１０００を備える移動体の一例として自動車を例に説明する。図１５は、移動体としての自動車に本発明に係る原子発振器１０００を用いた場合の概略構成を示す斜視図である。

図１５に示す移動体としての自動車４０００は、車体４００１と、４つの車輪４００２とを有しており、車体４００１に設けられた図示しない動力源によって車輪４００２を回転させるように構成されている。このような自動車４０００には、原子発振器１０００が内蔵されている。そして、原子発振器１０００からの発振信号に基づいて、例えば、図示しない制御部が動力源の駆動を制御する。

なお、本発明の原子発振器１０００を組み込む電子機器または移動体は、前述したものに限定されず、例えば、携帯電話機、デジタルスチールカメラ、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等に適用することができる。

以上、本発明の原子発振器１０００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く、例えば、前述した実施形態の各部の構成は、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。

１０…ネジ、２０…接着剤、３０…第１ブロック、４０…第２ブロック、１００…第１ユニット（光源ユニット）、１１０…光射出部、１２０…光源保持部、２００…第２ユニット（ガスセルユニット）、２１０…ガスセル、２２０…光検出部、２３０…ヒーター、２５０…コイル、２７０…ガスセル保持部材、４００…第１収容筐体、５００…第２収容筐体、６００…半導体装置、７００…ベース基板、８００…ユニット基板、１０００…原子発振器。

Claims (4)

1. 金属原子が封入されているガスセルと、
   前記ガスセルを収容し、外側角部を有する第１収容筐体と、
   前記ガスセルを収容した前記第１収容筐体と、前記ガスセルを加熱するヒーターと、を収容し外側角部を有する第２収容筐体と、
   前記ガスセルに励起光を射出する光源を備える光射出部と、
   前記第２収容筐体と前記光射出部と、が設置される第１の基体と、
   制御部を備え、前記第１の基体が設置される第２の基体と、を備える原子発振器であって、
   前記第１の基体は、前記光射出部が設置される第１基準面と、前記第１収容筐体が設置される第２基準面と、を有し、
   前記第１収容筐体の前記外側角部の内、前記第２基準面側に配置される前記第１収容筐体の筐体底面壁に接する底面外側角部に装着される第１ブロックを備え、
   前記第１の基体は、前記第２基準面に沿った、互いに交差する方向で前記第１ブロックが当接する突き当て部を備え、
   前記第１ブロックは、前記筐体底面壁と前記第２基準面と、の間に挟持される筐体支持部と、前記第１の基体の前記突き当て部に突き当てられる筐体位置決め部と、を有している、
   ことを特徴とする原子発振器。
2. 前記第１の基体は、前記第１基準面の反対の第１裏面と、前記第２基準面の反対の第２裏面と、を有し、
   前記第２裏面は装置載置面と離間し、前記第２裏面と前記装置載置面と、の間に第２ブロックが挟持されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の原子発振器。
3. 前記第１ブロックおよび前記第２ブロックのどちらか一方、もしくは両方が断熱性を有していることを特徴とする請求項１または２に記載の原子発振器。
4. 前記第１収容筐体、および前記第２収容筐体は磁気遮蔽性を有していることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の原子発振器。

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