JP2019121853A - 原子発振器、周波数信号生成システム、および原子発振器の磁場制御方法 - Google Patents

原子発振器、周波数信号生成システム、および原子発振器の磁場制御方法 Download PDF

Info

Publication number
JP2019121853A
JP2019121853A JP2017254198A JP2017254198A JP2019121853A JP 2019121853 A JP2019121853 A JP 2019121853A JP 2017254198 A JP2017254198 A JP 2017254198A JP 2017254198 A JP2017254198 A JP 2017254198A JP 2019121853 A JP2019121853 A JP 2019121853A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
coil
magnetic field
shield
atomic oscillator
atomic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2017254198A
Other languages
English (en)
Inventor
井出　典孝
Noritaka Ide
典孝 井出
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Seiko Epson Corp
Original Assignee
Seiko Epson Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Seiko Epson Corp filed Critical Seiko Epson Corp
Priority to JP2017254198A priority Critical patent/JP2019121853A/ja
Priority to US16/225,446 priority patent/US10725430B2/en
Priority to CN201811597136.XA priority patent/CN109981105A/zh
Publication of JP2019121853A publication Critical patent/JP2019121853A/ja
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04F—TIME-INTERVAL MEASURING
    • G04F5/00—Apparatus for producing preselected time intervals for use as timing standards
    • G04F5/14—Apparatus for producing preselected time intervals for use as timing standards using atomic clocks
    • G04F5/145—Apparatus for producing preselected time intervals for use as timing standards using atomic clocks using Coherent Population Trapping
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F7/00—Regulating magnetic variables
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S1/00—Masers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the microwave range
    • H01S1/06—Gaseous, i.e. beam masers
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03B—GENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
    • H03B17/00—Generation of oscillations using radiation source and detector, e.g. with interposed variable obturator
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03L—AUTOMATIC CONTROL, STARTING, SYNCHRONISATION OR STABILISATION OF GENERATORS OF ELECTRONIC OSCILLATIONS OR PULSES
    • H03L7/00—Automatic control of frequency or phase; Synchronisation
    • H03L7/26—Automatic control of frequency or phase; Synchronisation using energy levels of molecules, atoms, or subatomic particles as a frequency reference

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Ecology (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)

Abstract

【課題】原子セルに対する外部の磁場の影響を低減できる周波数信号生成システムを提供する。【解決手段】光を出射する光源と、アルカリ金属原子が収容され、前記光源から出射された光が入射する原子セルと、前記原子セルに磁場を印加する第１コイルと、前記原子セルおよび前記第１コイルを収容し、磁場を遮蔽する第１シールドと、凹部を有する第１部材と、第２部材と、を含み、前記第１部材と前記第２部材とによって形成された空間に前記光源および前記第１シールドを収容し、磁場を遮蔽する第２シールドと、前記凹部の開口を通過する磁場を発生させる第２コイルと、を含む、原子発振器。【選択図】図１

Description

本発明は、原子発振器、周波数信号生成システム、および原子発振器の磁場制御方法に関する。
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。原子発振器では、原子セルが外部の磁場（環境磁場）の影響を受けると、発振特性が不安定になってしまう。
そのため、例えば、特許文献１に記載された原子発振器は、ガスセルの外側に配置されているガスセル側磁気遮蔽部と、ガスセルとガスセル側磁気遮蔽部を挟んで配置されている外側磁気遮蔽部と、を備えている。
ここで、ガスセル側磁気遮蔽部は、板状の基部と有底筒状の蓋体とを備え、蓋体の開口が基部により封鎖されている。これにより、ガスセルを収容する空間が形成されている。基部および蓋体は、磁気遮蔽効果を有する材料で構成されている。
また、外側磁気遮蔽部は、底部と蓋部とを備え、蓋部の開口が基板により封鎖されている。これにより、ガスセル側磁気遮蔽部を収納する空間が形成されている。
特開２０１５−２４４７号公報
ガスセル側磁気遮蔽部において、基部と蓋体とは、ろう接、シーム溶接、エネルギー線溶接（レーザー溶接、電子線溶接等）等により接合されている。また、基部と蓋体との間には、これらを接合するための接合部材が介在している場合もある。
そのため、ガスセル側磁気遮蔽部では、基部と蓋体との接合部において磁気抵抗が大きくなる。したがって、ガスセル側磁気遮蔽部では、基部から、蓋体の開口を通って、蓋体を通過するような外部の磁場、および蓋体から、蓋体の開口を通って基部を通過するような外部の磁場に対する磁気遮蔽効果が低い。
また、外側磁気遮蔽部において、底部と蓋部との間には基板が存在している。そのため、底部と蓋部とは磁気的に不連続となる。したがって、外側磁気遮蔽部は、底部から、蓋体の開口を通って、蓋体を通過するような磁場、および蓋体から、蓋体の開口を通って、底部を通過するような磁場に対する磁気遮蔽効果が低い。
本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、原子セルに対する外部の磁場の影響を低減できる原子発振器を提供することにある。また、本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、原子セルに対する外部の磁場の影響を低減できる周波数信号生成システムを提供することにある。また、本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、原子セルに対する外部の磁場の影響を低減できる原子発振器の磁場制御方法を提供することにある。
本発明は前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、以下の態様または適用例として実現することができる。
［適用例１］
本適用例に係る原子発振器は、光を出射する光源と、アルカリ金属原子が収容され、前記光源から出射された光が入射する原子セルと、前記原子セルに磁場を印加する第１コイルと、前記原子セルおよび前記第１コイルを収容し、磁場を遮蔽する第１シールドと、凹部を有する第１部材と、第２部材と、を含み、前記第１部材と前記第２部材とによって形成された空間に前記光源および前記第１シールドを収容し、磁場を遮蔽する第２シールドと、前記凹部の開口を通過する磁場を発生させる第２コイルと、を含む。
ここで、第１部材から凹部の開口を通過して第２部材を通過するような外部の磁場、および第２部材から凹部の開口を通過して第１部材を通過するような外部の磁場に対しては、第２シールドの磁気遮蔽効果が低い。本適用例に係る原子発振器では、第２コイルが第１部材の基部の凹部の開口を通過する磁場を発生させるため、第１部材から凹部の開口を通過して第２部材を通過するような外部の磁場、および第２部材から凹部の開口を通過して第１部材を通過するような外部の磁場を低減できる。したがって、本適用例に係る原子発振器では、原子セルに対する外部の磁場の影響を効率よく低減できる。
［適用例２］
本適用例に係る原子発振器において、前記第２コイルは、前記第１シールドの外部に配置されていてもよい。
本適用例に係る原子発振器では、第２コイルが第１シールドの外部に配置されているため、第１シールドの内部に第２コイルを配置するためのスペースを設けなくてもよい。そのため、第１シールドの小型化を図ることができる。
［適用例３］
本適用例に係る原子発振器において、前記第２コイルは、前記第２シールドの内部に配置されていてもよい。
本適用例に係る原子発振器では、第２コイルが第２シールドの内部に配置されているため、例えば第２コイルが第２シールドの外部に配置されている場合と比べて、第２コイルが発生させる磁場を弱くすることができる。これにより、本適用例に係る原子発振器では、消費電力を低減できる。
［適用例４］
本適用例に係る原子発振器において、前記第２シールドに収容された多層基板を含み、前記第２コイルは、前記多層基板の少なくとも２層に配置されていてもよい。
本適用例に係る原子発振器では、第２コイルが多層基板の少なくとも２層に配置されているため、例えば第２コイルが単層のコイルである場合と比べて、広い空間に一様な磁場を形成することができる。
［適用例５］
本適用例に係る原子発振器において、前記第２コイルは、前記第２シールドの外部に配置されていてもよい。
本適用例に係る原子発振器では、第２コイルが第２シールドの外部に配置されているため、第２シールドの内部に第２コイルを配置するスペースをつくらなくてもよい。そのため、第２シールドの小型化を図ることができる。
［適用例６］
本適用例に係る原子発振器において、前記第２コイルの内側に配置され、磁場を検出する磁気センサーを含んでいてもよい。
本適用例に係る原子発振器では、磁気センサーが第２コイルの内側に配置されているため、例えば磁気センサーが第２コイルの外側に配置されている場合と比べて、精度よく磁場を検出することができる。
［適用例７］
本適用例に係る周波数信号生成システムは、光を出射する光源と、アルカリ金属原子が収容され、前記光源から出射された光が入射する原子セルと、前記原子セルに磁場を印加する第１コイルと、前記原子セルおよび前記第１コイルを収容し、磁場を遮蔽する第１シールドと、凹部を有する第１部材と、第２部材と、を含み、前記第１部材と前記第２部材とによって形成された空間に前記光源および前記第１シールドを収容し、磁場を遮蔽する第２シールドと、前記凹部の開口を通過する磁場を発生させる第２コイルと、を含む。
本適用例に係る周波数信号生成システムでは、第２コイルが第１部材の基部の凹部の開口を通過する磁場を発生させるため、第１部材から凹部の開口を通過して第２部材を通過するような外部の磁場、および第２部材から凹部の開口を通過して第１部材を通過するような外部の磁場を低減できる。したがって、本適用例に係る周波数信号生成システムでは、原子セルに対する外部の磁場の影響を効率よく低減できる。
［適用例８］
本適用例に係る原子発振器の磁場制御方法は、原子発振器の磁場制御方法であって、前記原子発振器は、光を出射する光源と、アルカリ金属原子が収容され、前記光源から出射された光が入射する原子セルと、前記原子セルに磁場を印加する第１コイルと、前記原子セルおよび前記第１コイルを収容し、磁場を遮蔽する第１シールドと、凹部を有する第１部材と、第２部材と、を含み、前記第１部材と前記第２部材とによって形成された空間に前記光源および前記第１シールドを収容し、磁場を遮蔽する第２シールドと、前記凹部の開口を通過する磁場を発生させる第２コイルと、を含み、前記磁場制御方法は、前記第２コイルに電流を供給して前記凹部の開口を通過する磁場を発生させること、前記第２コイルによって前記凹部の開口を通過する磁場を発生させた状態で、前記第１コイルに電流を供給すること、を含む。
本適用例に係る原子発振器の磁場制御方法では、第２コイルが第１部材の基部の凹部の開口を通過する磁場を発生させるため、第１部材から凹部の開口を通過して第２部材を通過するような外部の磁場、および第２部材から凹部の開口を通過して第１部材を通過するような外部の磁場を低減できる。したがって、本適用例に係る原子発振器の磁場制御方法では、原子セルに対する外部の磁場の影響を効率よく低減できる。
さらに、本適用例に係る原子発振器の磁場制御方法では、第２コイルによって凹部の開口を通過する磁場を発生させた状態で、第１コイルに電流を供給することを含むため、原子セルに対する外部の磁場の影響が低減された状態で、第２コイルによってアルカリ金属原子のエネルギー準位をゼーマン分裂させるための磁場を原子セルに印加することができる。これにより、原子発振器の周波数安定性を高めることができる。
実施形態に係る原子発振器を示す概略図。 実施形態に係る原子発振器を模式的に示す斜視図。 実施形態に係る原子発振器を模式的に示す平面図。 実施形態に係る原子発振器を模式的に示す断面図。 第２コイルが発生させる磁場を説明するための図。 シールド制御部および磁場制御部の処理の一例を示すフローチャート。 シールド制御部および磁場制御部の処理の一例を示すフローチャート。 第１変形例に係る原子発振器の第２コイルを模式的に示す斜視図。 第１変形例に係る原子発振器の第２コイルの他の例を模式的に示す断面図。 第２変形例に係る原子発振器の回路基板および第２コイルを模式的に示す側面図。 第２変形例に係る原子発振器を模式的に示す断面図。 第３変形例に係る原子発振器を模式的に示す斜視図。 第４変形例に係る原子発振器を模式的に示す斜視図。 第５変形例に係る原子発振器を模式的に示す断面図。 第６変形例に係る原子発振器を模式的に示す断面図。 実施形態に係る周波数信号生成システムを示す概略構成図。
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。
１． 原子発振器
１．１． 概略
まず、本実施形態に係る原子発振器について、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る原子発振器１００を示す概略図である。
原子発振器１００は、アルカリ金属原子に対して特定の異なる波長の２つの共鳴光を同時に照射したときに当該２つの共鳴光がアルカリ金属原子に吸収されずに透過する現象が生じる量子干渉効果（ＣＰＴ：Coherent Population Trapping）を利用した原子発振器である。なお、この量子干渉効果による現象は、電磁誘起透明化（ＥＩＴ：Electromagnetically Induced Transparency）現象とも言う。また、本発明に係る原子発振器は、光およびマイクロ波による二重共鳴現象を利用した原子発振器であってもよい。
原子発振器１００は、図１に示すように、光源１０と、光学系ユニット２０と、原子セル３０と、受光素子４０と、ヒーター５０と、温度センサー５２と、第１コイル６０と、第２コイル７０と、磁気センサー８０と、制御ユニット９０と、を含む。
光源１０は、周波数の異なる２種の光を含んでいる直線偏光の光ＬＬを出射する。光源１０は、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）などの発光素子である。図示はしないが、光源１０は、ペルチェ素子などの温度制御素子によって温度が制御されていてもよい。
光学系ユニット２０は、光源１０と原子セル３０との間に配置されている。光学系ユニット２０は、減光フィルター２２と、レンズ２４と、１／４波長板２６と、を有している。
減光フィルター２２は、光源１０から出射された光ＬＬの強度を減少させる。レンズ２４は、光ＬＬの放射角度を調整する。例えば、レンズ２４は、光ＬＬを平行光にする。１／４波長板２６は、光ＬＬに含まれる周波数の異なる２種の光を、直線偏光から円偏光に変換する。
原子セル３０は、光源１０から出射される光ＬＬを透過する。原子セル３０には、アルカリ金属原子が収容されている。アルカリ金属原子は、互いに異なる２つの基底準位と励起準位とからなる３準位系のエネルギー準位を有する。原子セル３０には、光源１０から出射された光ＬＬが減光フィルター２２、レンズ２４、および１／４波長板２６を介して入射する。
受光素子４０は、原子セル３０を通過した光ＬＬを受光し、検出する。受光素子４０は、例えば、フォトダイオードである。
ヒーター５０は、原子セル３０の温度を制御するための温度制御素子である。ヒーター５０は、原子セル３０に収容されたアルカリ金属原子を加熱し、アルカリ金属原子の少なくとも一部をガス状態にする。ヒーター５０によって、原子セル３０は、例えば６０℃以上７０℃以下に維持される。温度センサー５２は、原子セル３０の温度を検出する。
第１コイル６０は、原子セル３０に磁場を印加する。具体的には、第１コイル６０は、原子セル３０に収容されたアルカリ金属原子に所定方向の磁場を印加し、アルカリ金属原子のエネルギー準位をゼーマン分裂させる。
アルカリ金属原子がゼーマン分裂した状態において、円偏光した共鳴光対がアルカリ金属原子に照射されると、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多くなる。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信号が大きくなる。その結果、原子発振器１００の発振特性を向上させることができる。
第２コイル７０は、外部の磁場を打ち消す方向の磁場を発生させる。第２コイル７０が磁場を発生させることによって、原子セル３０に対する外部の磁場の影響を低減できる。
磁気センサー８０は、原子セル３０における磁場に関する情報を出力する。具体的には、磁気センサー８０は磁気センサー８０が配置された場所の磁場を検出し、検出結果を出力する。磁気センサー８０における磁場の検出結果から、原子セル３０における外部の磁場の大きさや向きを推測できる。
制御ユニット９０は、温度制御部９２と、磁場制御部９４と、光源制御部９６と、シールド制御部９８と、を有している。
温度制御部９２は、温度センサー５２の検出結果に基づいて、原子セル３０の内部が所望の温度となるように、ヒーター５０への通電を制御する。磁場制御部９４は、第１コイル６０が発生する磁場が一定となるように、第１コイル６０に供給される電流を制御する。
光源制御部９６は、受光素子４０の検出結果に基づいて、ＥＩＴ現象が生じるように、光源１０から出射された光ＬＬに含まれる２種の光の周波数を制御する。ここで、これら２種の光が原子セル３０に収容されたアルカリ金属原子の２つの基底準位間のエネルギー差に相当する周波数差の共鳴光対となったとき、ＥＩＴ現象が生じる。光源制御部９６は、２種の光の周波数の制御に同期して安定化するように発振周波数が制御される電圧制御
型発振器（図示せず）を備えており、この電圧制御型発振器（ＶＣＯ：Voltage Controlled Oscillator）の出力信号を原子発振器１００の出力信号（クロック信号）として出力する。
シールド制御部９８は、第２コイル７０に電流を供給する。シールド制御部９８は、磁気センサー８０の検出結果に基づいて、第２コイル７０が外部の磁場を打ち消す方向の磁場を発生させるように第２コイル７０に流れる電流を制御する。すなわち、シールド制御部９８は、第２コイル７０が原子セル３０に対する外部の磁場の影響が低減される磁場を発生させるように第２コイル７０に流れる電流を制御する。
１．２． 原子発振器の構成
次に、原子発振器１００の構成について説明する。図２は、原子発振器１００を模式的に示す斜視図である。なお、図２では、便宜上、第１シールド１１０および第２シールド１２０を簡略化して図示している。図３は、原子発振器１００を模式的に示す平面図である。図４は、原子発振器１００を模式的に示す断面図であり、図３のＩＶ−ＩＶ線断面図である。なお、図３では、便宜上、実装基板１０２および第２シールド１２０の図示を省略している。また、図４では、便宜上、実装基板１０２の図示を省略している。
図３および図４には、互いに直交する３軸として、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸を図示している。ここで、Ｚ軸は、回路基板１３０の実装面の垂線に沿う軸である。＋Ｚ軸方向は、第２シールド１２０の基部１２２の第１面１２１から蓋部１２４の第２面１２５に向かう方向であり、−Ｚ軸方向は、その反対方向である。Ｘ軸方向は、光源１０から出射される光ＬＬの光軸Ａに沿う軸であり、＋Ｘ軸方向は光ＬＬの進行方向である。
原子発振器１００は、図２〜図４に示すように、光源１０と、光学系ユニット２０と、原子セル３０と、受光素子４０と、ヒーター５０と、第１コイル６０と、第２コイル７０と、磁気センサー８０と、実装基板１０２と、第１シールド１１０と、第２シールド１２０と、回路基板１３０と、ＩＣ（Integrated Circuit）チップ１４０，１４２と、を含む。
光源１０は、回路基板１３０に配置されている。図示の例では、光源１０は、光源基板１２に固定されており、光源基板１２は、ねじ（図示せず）によって回路基板１３０に固定されている。なお、光源１０は、第２シールド１２０の基部１２２に直接配置されていてもよいし、支持部材（図示せず）等を介して第２シールド１２０の基部１２２に配置されていてもよい。
光学系ユニット２０は、回路基板１３０に配置されている。光学系ユニット２０は、減光フィルター２２と、レンズ２４と、１／４波長板２６と、これらを保持しているホルダー２８と、を有している。ホルダー２８は、例えば、ねじ（図示せず）によって回路基板１３０に固定されている。なお、光学系ユニット２０は、第２シールド１２０の基部１２２に直接配置されていてもよいし、支持部材（図示せず）等を介して第２シールド１２０の基部１２２に配置されていてもよい。
原子セル３０は、第１シールド１１０に収容されている。原子セル３０は、第１シールド１１０の内部に配置されている。原子セル３０は、第１シールド１１０の内部において、原子セル保持部材３２によって保持されている。原子セル保持部材３２は、ねじ（図示せず）によって第１シールド１１０に固定されている。
原子セル３０には、気体のルビジウム、セシウム、ナトリウム等のアルカリ金属が収容されている。原子セル３０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原子とともに収容されていてもよい。原子セル３０には、光源１０から出射された光ＬＬが入射する。原子セル３０の壁部の材質は、例えば、ガラスなどである。
受光素子４０は、第１シールド１１０に収容されている。なお、図示はしないが、受光素子４０が、第１シールド１１０の外部に配置されていてもよい。
ヒーター５０は、第１シールド１１０の外部に設けられている。ヒーター５０は、例えば、第１シールド１１０の外表面に伝熱部材を介して配置されている。ヒーター５０は、例えば、発熱抵抗体である。ヒーター５０は、図示はしないが、ヒーター５０が発生させる磁場を遮蔽するシールドに収容されていてもよい。
温度センサー５２は、図２〜図４では図示していないが、原子セル３０の近傍に配置されている。温度センサー５２は、例えば、サーミスタ、熱電対等の各種温度センサーである。
第１コイル６０は、第１シールド１１０に収容されている。第１コイル６０は、第１シールド１１０の内部に配置されている。第１コイル６０は、原子セル３０の周囲に配置されている。第１コイル６０は、例えば、原子セル３０の外周に沿って巻回して設けられているソレノイドコイル、または、原子セル３０を介して対向するヘルムホルツ型の１対のコイルである。第１コイル６０は、原子セル３０の内部に光ＬＬの光軸Ａに沿った方向の磁場を発生させる。これにより、原子セル３０に収容されたアルカリ金属原子の縮退している異なるエネルギー準位間のギャップをゼーマン分裂により拡げて、分解能を向上させ、ＥＩＴ信号の線幅を小さくすることができる。
第２コイル７０は、第１シールド１１０の外部に配置されている。第２コイル７０は、第２シールド１２０に収容されている。すなわち、第２コイル７０は、第２シールド１２０の内部に配置されている。第２コイル７０は、回路基板１３０に設けられている。
第２コイル７０は、例えば、回路基板１３０に設けられた配線によって構成されている。具体的には、第２コイル７０は、回路基板１３０の表面または内部に設けられた配線によって構成されている。回路基板１３０がプリント基板である場合、第２コイル７０は、例えば、プリント配線で構成されている。なお、第２コイル７０の構成はこれに限定されない。
第２コイル７０のＺ軸方向から見た形状は、矩形である。なお、第２コイル７０のＺ軸方向から見た形状はこれに限定されず、例えば、円形、楕円形、多角形であってもよい。第２コイル７０は、単層のコイルである。
第２コイル７０の内部には、光源１０、光学系ユニット２０、ヒーター５０、磁気センサー８０、第１シールド１１０、およびＩＣチップ１４０，１４２が配置されている。すなわち、Ｚ軸方向から見て、光源１０、光学系ユニット２０、ヒーター５０、磁気センサー８０、第１シールド１１０、およびＩＣチップ１４０，１４２は、第２コイル７０の内側に位置している。なお、第２コイル７０の内側には、少なくとも原子セル３０が配置されていればよい。
図５は、第２コイル７０が発生させる磁場を説明するための図である。なお、図５では、便宜上、第２コイル７０、第２シールド１２０、および回路基板１３０のみを図示している。また、図５では、便宜上、第２コイル７０、第２シールド１２０、および回路基板１３０を簡略化して図示している。
第２コイル７０は、第２シールド１２０の基部１２２に設けられた凹部２の開口１２３を通る磁場Ｂ２を発生させる。第２コイル７０の開口部（コイル面）はＺ軸方向を向いている。すなわち、第２コイル７０の開口部（コイル面）の垂線は、Ｚ軸に平行である。したがって、第２コイル７０が発生させる磁場Ｂ２の方向はＺ軸方向である。
図示の例では、第２コイル７０は、＋Ｚ軸方向の磁場Ｂ２を発生させている。すなわち、第２コイル７０は、第２コイル７０から蓋部１２４の第２面１２５に向かう方向の磁場Ｂ２を発生させている。
また、図示はしないが、第２コイル７０に流す電流の方向を変えることで、第２コイル７０は、−Ｚ軸方向の磁場Ｂ２を発生させることができる。すなわち、第２コイル７０は、第２コイル７０から基部１２２の第１面１２１に向かう方向の磁場Ｂ２を発生させることができる。
なお、第２コイル７０が発生させる磁場Ｂ２は、第２シールド１２０の内部において、Ｚ軸方向の成分を持っていればよい。すなわち、第２コイル７０の開口部（コイル面）の垂線は、Ｚ軸方向の成分を持っていればよい。
第２コイル７０が凹部２の開口１２３を通る磁場Ｂ２を発生させることによって、第２シールド１２０内において、外部の磁場Ｂ４のＺ軸方向の成分を低減できる。例えば、図５に示すように、第２コイル７０が＋Ｚ軸方向の磁場Ｂ２を発生させることによって、第２シールド１２０内において、蓋部１２４から開口１２３を通って基部１２２を通過するような磁場（すなわち外部の磁場の−Ｚ軸方向の成分）の影響を低減できる。
また、図示はしないが、第２コイル７０が−Ｚ軸方向の磁場Ｂ２を発生させることによって、基部１２２から開口１２３を通って蓋部１２４を通過するような磁場（すなわち外部の磁場の＋Ｚ軸方向の成分）の影響を低減できる。
図２ないし図４に戻り、磁気センサー８０は、回路基板１３０に配置されている。磁気センサー８０は、第２コイル７０の内部に配置されている。すなわち、磁気センサー８０は、Ｚ軸方向から見て、第２コイル７０の内側に位置している。磁気センサー８０は、第１シールド１１０の外部に配置されている。第１シールド１１０および第２シールド１２０は、磁性材料で構成されているため、その近傍では磁場が乱れる。そのため、磁気センサー８０は、第１シールド１１０および第２シールド１２０から所定の距離だけ離して配置されている。
磁気センサー８０は、例えば、磁気抵抗効果素子（magneto resistive device、ＭＲ素子）、磁気インピーダンス素子（Magneto Impedance device、ＭＩ素子）、ホール素子などを用いたセンサーである。磁気センサー８０は、一軸の磁気センサーであってもよいし、多軸の磁気センサーであってもよい。
実装基板１０２には、図２に示すように、第２シールド１２０が固定されている。実装基板１０２には、回路基板１３０に配置されたＩＣチップ１４０，１４２と電気的に接続された配線（図示せず）が設けられている。ＩＣチップ１４０，１４２と回路基板１３０に設けられた配線とは、回路基板１３０に設けられたリードピン１５０を介して、電気的に接続される。また、実装基板１０２と第２シールド１２０とは、リードピン１５０によって固定されていてもよい。実装基板１０２には、各種電子部品（図示せず）が設けられていてもよい。実装基板１０２は、例えば、プリント基板である。
第１シールド１１０は、少なくとも原子セル３０を収容する容器である。第１シールド１１０は、図示の例では、原子セル３０、原子セル保持部材３２、受光素子４０、および第１コイル６０を収容している。第１シールド１１０は、回路基板１３０に配置されている。なお、図示はしないが、第１シールド１１０は、第２シールド１２０の基部１２２に直接配置されていてもよいし、支持部材等を介して第２シールド１２０の基部１２２に配置されていてもよい。
第１シールド１１０は、略直方体の外形形状を有している。第１シールド１１０の材質は、例えば、鉄、ケイ素鉄、パーマロイ、スーパーマロイ、センダストなどである。このような材料を用いることにより、第１シールド１１０は、外部の磁場を遮蔽することができる。これにより、原子セル３０に対する外部の磁場の影響を低減できる。なお、本明細書において、「磁場を遮蔽する」とは、磁場を完全に遮断する場合と、磁場の強度を低減する場合と、を含むものとして用いている。
第１シールド１１０には、貫通孔が設けられている。光源１０から出射された光ＬＬは、貫通孔を通って原子セル３０に入射する。貫通孔には、光ＬＬを透過させる部材が設けられていてもよい。
第２シールド１２０は、光源１０、光学系ユニット２０、ヒーター５０、第２コイル７０、磁気センサー８０、第１シールド１１０、回路基板１３０、およびＩＣチップ１４０，１４２を収容している。第２シールド１２０は、さらに、図２〜図４には図示しないが温度センサー５２を収容している。第２シールド１２０は、実装基板１０２に固定されている。
第２シールド１２０は、基部（第１部材の一例）１２２と、基部１２２とは別体の蓋部（第２部材の一例）１２４と、を有している。基部１２２は、第１シールド１１０等が収容される空間を形成する凹部２を有している。基部１２２に設けられた凹部２の開口１２３は蓋部１２４によって塞がれている。また、蓋部１２４には凹部４が設けられており、当該凹部４の開口は基部１２２で塞がれている。基部１２２と蓋部１２４によって、光源１０や第１シールド１１０等が収容される空間が形成されている。
なお、第２シールド１２０の構成はこれに限定されない。例えば、基部１２２が平坦であり、蓋部１２４が凹部を有していてもよい。蓋部１２４の凹部の開口を基部１２２で塞ぐことによって、第１シールド１１０等が収容される空間が形成されてもよい。また、例えば基部１２２が凹部を有し、蓋部１２４が平坦であり、基部１２２の凹部の開口を蓋部１２４が塞ぐことによって、第１シールド１１０等が収容される空間が形成されてもよい。
基部１２２と蓋部１２４とは、例えば、ろう接、シーム溶接、エネルギー線溶接（レーザー溶接、電子線溶接等）等により接合されている。また、基部１２２と蓋部１２４との間には、これらを接合するための接合部材が介在していてもよい。
基部１２２は、第１面１２１を有している。蓋部１２４は、第２面１２５を有している。第１面１２１と第２面１２５とは対向している。第１面１２１は、第１シールド１１０等が収容される空間の下方（−Ｚ軸方向）を規定する面である。第２面１２５は、第１シールド等が収容される空間の上方（＋Ｚ軸方向）を規定する面である。
第２シールド１２０の材質は、例えば、第１シールド１１０と同じである。そのため、第２シールド１２０は、外部の磁場を遮蔽することができる。これにより、原子セル３０に対する外部の磁場の影響を低減できる。
なお、第１シールド１１０および第２シールド１２０の少なくとも一方の材質として、電気伝導率の高い金属を用いてもよい。このようにシールドの材質を電気伝導率の高い金属とすることによって高周波の磁場を遮蔽することができる。また、第１シールド１１０および第２シールド１２０の少なくとも一方を、パーマロイ等の磁性体と、電気伝導率の高い金属と、の２層構造にしてもよい。このようにシールドを２層構造にすることによって、磁気シールドとしての機能に加えて高周波の磁場を遮蔽する機能をシールドに持たせることができる。
回路基板１３０は、第２シールド１２０に収容されている。回路基板１３０は、複数のリードピン１５０を介して、第２シールド１２０の基部１２２に固定されている。回路基板１３０には、図示はしないが、ＩＣチップ１４０と光源１０を接続する配線や、ＩＣチップ１４０と受光素子４０を接続する配線、ＩＣチップ１４０とヒーター５０を接続する配線、ＩＣチップ１４０と温度センサー５２を接続する配線、ＩＣチップ１４２と第２コイル７０を接続する配線、ＩＣチップ１４２と磁気センサー８０を接続する配線などが設けられている。
ＩＣチップ１４０は、回路基板１３０に配置されている。ＩＣチップ１４０は、第２コイル７０の内側に配置されている。なお、ＩＣチップ１４０は、第２コイル７０の外側に配置されていてもよい。ＩＣチップ１４０は、温度制御部９２、磁場制御部９４、および光源制御部９６として機能する回路を含む。
ＩＣチップ１４２は、回路基板１３０に配置されている。ＩＣチップ１４２は、第２コイル７０の内側に配置されている。ＩＣチップ１４２は、シールド制御部９８として機能する回路を含む。なお、シールド制御部９８として機能する回路は、ＩＣチップに組み込まれていなくてもよく、抵抗やトランジスタなどの個別の素子を組み合わせて形成された回路であってもよい。
原子発振器１００は、例えば、以下の特徴を有する。
原子発振器１００では、第２コイル７０が、基部１２２の凹部２の開口１２３を通過する磁場Ｂ２を発生させる。そのため、原子発振器１００では、外部の磁場のＺ軸方向の成分を低減できる。したがって、原子セル３０に対する外部の磁場の影響を低減できる。これにより、原子発振器１００の発振特性の安定化を図ることができる。
ここで、第２シールド１２０において、基部１２２と蓋部１２４とは、別部材であり、基部１２２と蓋部１２４との接合部において磁気抵抗が大きくなる。そのため、第２シールド１２０は、例えばＸ軸方向の磁場およびＹ軸方向の磁場に比べて、Ｚ軸方向の磁場に対する磁気遮蔽効果が低い。原子発振器１００では、上述したように、第２コイル７０によって、Ｚ軸方向の磁場の影響を低減できるため、原子セル３０に対する外部の磁場の影響を効率よく低減できる。
原子セル３０に対する外部の磁場の影響を低減するために、例えば、第２コイル７０のかわりに第２シールド１２０の内部に、第１シールド１１０を収容するシールド（以下「第３シールド」ともいう）を設けることも考えられる。すなわち、原子セル３０を３つのシールドで覆って外部の磁場を遮蔽することも考えられる。しかしながら、第３シールドを設けた場合、第２シールド１２０の内部に第３シールドを設けるスペースをつくる必要があり、装置が大型化してしまう。また、シールドをパーマロイなどで形成する場合、焼鈍が必要であり、寸法公差が大きくなる。そのため、原子セル３０を３つのシールドで覆う場合、原子発振器の組み立て精度が低下してしまう。
これに対して、原子発振器１００では、第３シールドを設けなくてもよい。そのため、原子発振器１００では、小型化を図ることができる。特に、第３シールドを設けないことで、Ｚ軸方向の大きさを小さくできる。すなわち、原子発振器１００を低背化することができる。さらに、原子発振器１００では、例えば原子セル３０を３つのシールドで覆う場合と比べて、組み立て精度を向上できる。
また、パーマロイ等は、加工が難しく、また材料価格も高い。原子発振器１００では、第２コイル７０によって外部の磁場の影響を低減できるため、例えば原子セル３０を３つのシールドで覆う場合と比べて、低コスト化を図ることができる。
原子発振器１００では、第２コイル７０が第１シールド１１０の外部に配置されている。そのため、原子発振器１００では、第１シールド１１０に第２コイル７０を配置するためのスペースを設けなくてもよく、第１シールド１１０の小型化を図ることができる。また、第２コイル７０の大きさが第１シールド１１０の大きさの制約を受けないため、例えば第２コイル７０が第１シールド１１０の内部に配置される場合と比べて、第２コイル７０として大きなコイルを用いることができる。
原子発振器１００では、第２コイル７０が第２シールド１２０の内部に配置されている。そのため、原子発振器１００では、第２コイル７０が発生させる磁場Ｂ２の強さは、第２シールド１２０の内部に侵入した磁場に応じた強さであれば足りる。例えば、第２コイル７０が第２シールド１２０の外部に配置されている場合と比べて、第２コイル７０が発生させる磁場Ｂ２を弱くすることができる。これにより、原子発振器１００の消費電力を低減できる。
原子発振器１００では、第２コイル７０が回路基板１３０に設けられた配線で構成されている。そのため、原子発振器１００では、低コスト化および小型化を図ることができる。また、例えば、第２コイル７０としてらせん状の銅配線等で構成されたコイルを用いた場合、回路基板１３０に当該コイルを精度よく位置決めすることは困難である。これに対して、原子発振器１００では、第２コイル７０が回路基板１３０に設けられた配線で構成されているため、回路基板１３０に対して第２コイル７０を精度よく位置決めできる。
原子発振器１００では、磁気センサー８０が第２コイル７０の内側に配置されている。そのため、原子発振器１００では、例えば、磁気センサー８０が第２コイル７０の外側に配置されている場合と比べて、精度よく磁場を検出することができる。
１．３． 原子発振器の磁場制御方法
次に、原子発振器１００の磁場制御方法について説明する。
原子発振器１００では、シールド制御部９８が第２コイル７０に供給される電流（第２コイル７０のコイル電流）を制御することによって、原子セル３０に対する外部の磁場の影響を低減している。また、原子発振器１００では、磁場制御部９４が第１コイル６０に供給される電流（第１コイル６０のコイル電流）を制御することによって、アルカリ金属原子のエネルギー準位をゼーマン分裂させるための磁場を発生させている。以下、シールド制御部９８の処理、および磁場制御部９４の処理について説明する。
シールド制御部９８は、磁気センサー８０による磁場の検出結果に基づいて、第２コイル７０のコイル電流を制御して磁場Ｂ２を発生させる。シールド制御部９８は、原子セル３０の位置における外部の磁場の大きさが目標値（例えば磁場の大きさが零）となるように第２コイル７０のコイル電流を制御する（フィードバック制御）。
シールド制御部９８は、例えば、ＰＩＤ制御（Proportional Integral Differential Controller）により第２コイル７０のコイル電流を制御する。例えば、シールド制御部９８は、まず、磁気センサー８０の出力信号から、当該出力信号と原子セル３０の位置における磁場とを関連付けたテーブルを用いて、原子セル３０の位置における磁場を求める。次に、原子セル３０の位置における磁場の大きさと目標値との差分をＰＩＤ演算し、演算結果に基づき第２コイル７０のコイル電流を調整する。これにより、外部の磁場が変動した場合（例えば交流磁場など）であっても、原子セル３０に対する外部の磁場の影響を低減できる。
ここで、磁気センサー８０は、外部の磁場だけでなく、第１コイル６０が発生させる磁場も検出する。そのため、磁気センサー８０の出力信号と原子セル３０の位置における磁場との関係は、第１コイル６０が磁場を発生させていない状態と、第１コイル６０が磁場を発生させている状態とで変わってしまう。したがって、磁気センサー８０の出力信号と原子セル３０の位置における磁場とを関連付けたテーブルとして、第１コイル６０が磁場を発生させていない状態におけるテーブル（以下「第１テーブル」という）と、第１コイル６０が磁場を発生させている状態におけるテーブル（以下「第２テーブル」という）と、を用いる。第１テーブルおよび第２テーブルは、例えば、ＩＣチップ１４２に搭載された記憶装置（メモリ）に記憶されている。
磁場制御部９４は、第１コイル６０に供給される電流を制御して、原子セル３０の内部に光ＬＬの光軸Ａに沿った方向の磁場を発生させる。これにより、原子セル３０に収容されたアルカリ金属原子の縮退している異なるエネルギー準位間のギャップをゼーマン分裂により拡げて、分解能を向上させ、ＥＩＴ信号の線幅を小さくすることができる。この結果、原子発振器１００では、周波数安定性を高めることができる。磁場制御部９４は、例えば、第１コイル６０が発生させる磁場が一定となるように、第１コイル６０のコイル電流を制御する。
磁場制御部９４による第１コイル６０に電流を供給する制御は、シールド制御部９８による第２コイル７０の制御が行われている状態で行われる。すなわち、図５に示すように、第２コイル７０によって基部１２２の凹部２の開口１２３を通過する磁場Ｂ２を発生させた状態で、第１コイル６０に電流が供給される。そのため、原子セル３０に対する外部の磁場の影響が低減された状態で、原子セル３０に、アルカリ金属原子のエネルギー準位をゼーマン分裂させるための磁場を印加することができる。
図６は、シールド制御部９８および磁場制御部９４の処理の一例を示すフローチャートである。なお、図６では、シールド制御部９８がフィードバック制御を行う場合の処理の流れを示している。
まず、シールド制御部９８は、電源がオンの状態になるまで待機し（Ｓ１００のＮｏ）、電源がオンの状態になると（Ｓ１００のＹｅｓ）、磁気センサー８０の出力信号から第１テーブルを用いて原子セル３０の位置における磁場を求め、原子セル３０の位置における磁場の大きさが目標値となるように第２コイル７０のコイル電流を制御する処理を開始する（Ｓ１０２）。
シールド制御部９８は、磁気センサー８０の出力信号に基づいて、原子セル３０の位置における磁場の大きさが目標範囲内となったか否かを判定する（Ｓ１０４）。原子セル３０の位置における磁場の大きさが目標範囲内となっていないと判定された場合（Ｓ１０４のＮｏ）、シールド制御部９８は、再び、原子セル３０の位置における磁場の大きさが目標範囲内になったか否かを判定する。
原子セル３０の位置における磁場の大きさが目標範囲内となったと判定された場合（Ｓ１０４のＹｅｓ）、光源制御部９６が、受光素子４０の検出結果に基づいて、ＥＩＴ現象が生じるように光源１０から出射された光ＬＬに含まれる２種の光の周波数を制御し、磁場制御部９４が、第１コイル６０のコイル電流を制御する処理を開始する（Ｓ１０６）。
磁場制御部９４は、第１コイル６０が発生させる磁場が一定となるように、第１コイル６０に供給される電流を制御する。磁場制御部９４が、第１コイル６０に所定のコイル電流を供給することにより、原子セル３０に収容されたアルカリ金属原子の縮退している異なるエネルギー準位間のギャップをゼーマン分裂により拡げて、ＥＩＴ信号の線幅を小さくできる。
次に、シールド制御部９８は、磁気センサー８０の出力信号から第１テーブルを用いて原子セル３０の位置における磁場を求めて第２コイル７０のコイル電流を制御する処理を終了し、磁気センサー８０の出力信号から第２テーブルを用いて原子セル３０の位置における磁場を求め、原子セル３０の位置における磁場の大きさが目標値となるように第２コイル７０のコイル電流を制御する処理を開始する（Ｓ１０８）。
シールド制御部９８による第２コイル７０のコイル電流の制御、および磁場制御部９４による第１コイル６０のコイル電流の制御は、電源オフの操作が行われるまで行われ（Ｓ１１０のＮｏ）、電源がオフの操作が行われた場合（Ｓ１１０のＹｅｓ）に終了する。
なお、上記では、シールド制御部９８がフィードバック制御を行う場合について説明したが、シールド制御部９８は、例えば、任意の時間における磁気センサー８０の出力信号に基づいて第２コイル７０のコイル電流を決定し、決定されたコイル電流を第２コイル７０に供給し続けてもよい。すなわち、シールド制御部９８は、第２コイル７０のコイル電流を一定としてもよい（一定制御）。
一定制御では、例えば、第１コイル６０が磁場を発生させていない状態において、磁気センサー８０で磁場を検出し、その検出結果に基づいて第２コイル７０のコイル電流を決定する。このとき、第２コイル７０のコイル電流は、第１テーブルに基づき決定される。一定制御では、第２コイル７０には一定のコイル電流が供給されるため、第２コイル７０が発生させる磁場の強度は一定となる。そのため、例えばフィードバック制御の場合と比べて、第２コイル７０が発生させる磁場が原子セル３０に与える影響が小さい。
なお、一定制御では、交流磁場を打ち消すことができないため、第１シールド１１０および第２シールド１２０の少なくとも一方の材質として、電気伝導率の高い金属を用いてもよい。また、第１シールド１１０および第２シールド１２０の少なくとも一方を、電気伝導率の高い金属で被覆してもよい。これにより、一定制御の場合であっても、原子セル３０に対する交流磁場の影響を低減できる。
図７は、シールド制御部９８および磁場制御部９４の処理の一例を示すフローチャートである。なお、図７では、シールド制御部９８が一定制御を行う場合の処理の流れを示している。
まず、シールド制御部９８は、電源がオンの状態になるまで待機し（Ｓ２００のＮｏ）、電源がオンの状態になると（Ｓ２００のＹｅｓ）、磁気センサー８０の出力信号から第１テーブルを用いて原子セル３０の位置における磁場を求め、原子セル３０の位置における磁場の大きさが目標値となるような第２コイル７０のコイル電流を決定する（Ｓ２０２）。
次に、シールド制御部９８は、決定されたコイル電流を第２コイル７０に供給する制御を開始する（Ｓ２０４）。これにより、第２コイル７０には、一定のコイル電流が供給され、第２コイル７０が発生させる磁場の強度が一定となる。
次に、光源制御部９６が、受光素子４０の検出結果に基づいてＥＩＴ現象が生じるように光源１０から出射された光ＬＬに含まれる２種の光の周波数を制御し、磁場制御部９４が、第１コイル６０のコイル電流を制御する処理を開始する（Ｓ２０６）。
ステップＳ２０６の処理は、ステップＳ１０６の処理と同様に行われる。
シールド制御部９８による第２コイル７０のコイル電流の制御、および磁場制御部９４による第１コイル６０のコイル電流の制御は、電源オフの操作が行われるまで行われ（Ｓ２０８のＮｏ）、電源がオフの操作が行われた場合（Ｓ２０８のＹｅｓ）に終了する。
原子発振器１００の磁場制御方法は、例えば、以下の特徴を有する。
原子発振器１００の磁場制御方法は、第２コイル７０に電流を供給して基部１２２の凹部２の開口１２３を通過する磁場Ｂ２を発生させること、および、磁場Ｂ２を発生させた状態で、第１コイル６０に電流を供給すること、を含む。そのため、原子セル３０に対する外部の磁場の影響が低減された状態で、第２コイル７０によってアルカリ金属原子のエネルギー準位をゼーマン分裂させるための磁場を原子セル３０に印加することができる。これにより、原子発振器１００の周波数安定性を高めることができる。
１．４． 変形例
次に、本実施形態に係る原子発振器の変形例について説明する。以下、本実施形態に係る原子発振器の変形例において、上述した原子発振器１００の例と異なる点について説明し、同様の点については説明を省略する。
１．４．１． 第１変形例
まず、第１変形例に係る原子発振器について、図面を参照しながら説明する。図８は、第１変形例に係る原子発振器の第２コイル７０を模式的に示す斜視図である。
上述した原子発振器１００では、図３〜図５に示すように、第２コイル７０は、単層のコイルであった。これに対して、第１変形例に係る原子発振器では、図８に示すように、回路基板１３０が多層基板であり、第２コイル７０は回路基板１３０を構成する複数の基板１３０ａ，１３０ｂ，１３０ｃ，１３０ｄ，１３０ｅに設けられた多層のコイルである。
回路基板１３０は、基板１３０ａ、基板１３０ｂ、基板１３０ｃ、基板１３０ｄ、および基板１３０ｅが積層された多層基板である。ここでは、回路基板１３０が５層であるが、その層数は特に限定されない。
第２コイル７０は、基板１３０ａ，１３０ｂ，１３０ｃ，１３０ｄ，１３０ｅに配置されている。第２コイル７０は、基板１３０ａ，１３０ｂ，１３０ｃ，１３０ｄ，１３０ｅに配置された配線で構成されている。例えば、基板１３０ａに配置された配線と基板１３０ｂに配置された配線とは、基板１３０ａに設けられた貫通電極（図示せず）によって電気的に接続されている。このように隣り合う基板に配置された配線は、貫通電極によって電気的に接続されている。
第２コイル７０は、図示の例では、回路基板１３０のすべての層に配置されているが、回路基板１３０の少なくとも２層に配置されていればよい。
第１変形例に係る原子発振器では、上述した原子発振器１００と同様に、原子セル３０に対する外部の磁場の影響を低減できる。さらに、第１変形例に係る原子発振器では、第２コイル７０は、多層基板である回路基板１３０の少なくとも２層に配置されている。そのため、第１変形例に係る原子発振器では、第２コイル７０をソレノイドとすることができる。したがって、例えば第２コイル７０が単層のコイルである場合と比べて、広い空間に一様な磁場を形成することができる。また、第１変形例に係る原子発振器では、例えば、回路基板１３０上にらせん状の銅配線等で構成されたソレノイドコイルを配置する場合と比べて、小型化を図ることができる。
図９は、第１変形例に係る原子発振器の第２コイル７０の他の例を模式的に示す断面図である。
第２コイル７０は、回路基板１３０の上面に設けられた配線７０ａと、回路基板１３０の下面に設けられた配線７０ｂと、回路基板１３０に設けられ、配線７０ａと配線７０ｂとを接続する貫通電極７０ｃと、を有していてもよい。これにより、１層の回路基板１３０で２層の第２コイル７０を設けることができる。
１．４．２． 第２変形例
次に、第２変形例に係る原子発振器について、図面を参照しながら説明する。図１０は、第２変形例に係る原子発振器の回路基板１３０および第２コイル７０を模式的に示す側面図である。図１１は、第２変形例に係る原子発振器を模式的に示す断面図である。なお、図１１は、図４に対応している。
上述した原子発振器１００では、図４に示すように、第２コイル７０は、回路基板１３０に設けられた配線によって構成されていた。これに対して、第２変形例に係る原子発振器では、図１０および図１１に示すように、第２コイル７０は、回路基板１３０に配置されたソレノイドコイルによって構成されている。
第２コイル７０は、例えば、らせん状の銅配線等で構成されたコイルである。第２コイル７０のＺ軸方向から見た形状は、特に限定されず、例えば、矩形、円形、楕円形などであってもよい。
第２コイル７０の内側には、図示の例では、光源１０、光学系ユニット２０、ヒーター５０、磁気センサー８０、第１シールド１１０、およびＩＣチップ１４０，１４２が配置されている。なお、第２コイル７０の内側には、少なくとも原子セル３０が配置されていればよい。
第２変形例に係る原子発振器では、上述した原子発振器１００と同様に、原子セル３０に対する外部の磁場の影響を低減できる。
１．４．３． 第３変形例
次に、第３変形例に係る原子発振器について、図面を参照しながら説明する。図１２は、第３変形例に係る原子発振器を模式的に示す斜視図である。なお、図１２は、図２に対応している。
上述した原子発振器１００では、図２〜図４に示すように、第２コイル７０は、第２シールド１２０の内部に配置されていた。これに対して、第３変形例に係る原子発振器では
、図１２に示すように、第２コイル７０は、第２シールド１２０の外部に配置されている。
第２コイル７０は、図示の例では、実装基板１０２に配置されている。第２コイル７０は、第２シールド１２０を囲っている。Ｚ軸方向から見て、第２シールド１２０は、第２コイル７０の内側に配置されている。
なお、図示はしないが、実装基板１０２に配置される第２コイル７０を、らせん状の銅配線等で構成されたソレノイドコイル（図１０参照）としてもよい。
シールド制御部９８として機能するＩＣチップ１４２は、第２シールド１２０の外部に配置されている。ここで、ＩＣチップ１４２は、第２コイル７０の電源用のＩＣチップであり、ＩＣチップ１４２からは比較的大きな磁場が発生する。ＩＣチップ１４２を第２シールド１２０の外部に配置することによって、ＩＣチップ１４２が発生させる磁場が、原子セル３０に与える影響を低減できる。
第３変形例に係る原子発振器では、上述した原子発振器１００と同様に、原子セル３０に対する外部の磁場の影響を低減できる。さらに、第３変形例に係る原子発振器では、第２コイル７０が第２シールド１２０の外部に配置されているため、第２シールド１２０の内部に第２コイル７０を配置するスペースをつくらなくてもよい。そのため、例えば第２シールド１２０の小型化を図ることができる。また、第２コイル７０の大きさが第２シールド１２０の大きさの制約を受けないため、例えば第２コイル７０が第２シールド１２０の内部に配置されている場合と比べて、第２コイル７０として大きなコイルを用いることができる。
さらに、第３変形例に係る原子発振器では、第２コイル７０に電流を供給するＩＣチップ１４２が第２シールド１２０の外部に配置されているため、ＩＣチップ１４２が発生させる磁場が原子セル３０に与える影響を低減できる。
１．４．４． 第４変形例
次に、第４変形例に係る原子発振器について、図面を参照しながら説明する。図１３は、第４変形例に係る原子発振器を模式的に示す斜視図である。なお、図１３は、図２に対応している。
上述した原子発振器１００では、図２〜図４に示すように、シールド制御部９８として機能するＩＣチップ１４２および磁気センサー８０は、第２シールド１２０の内部に配置されていた。これに対して、第４変形例に係る原子発振器では、図１２に示すように、ＩＣチップ１４２および磁気センサー８０は、第２シールド１２０の外部に配置されている。
ＩＣチップ１４２および磁気センサー８０は、実装基板１０２に配置されている。なお、図示はしないが、ＩＣチップ１４２が第２シールド１２０の外部に配置され、磁気センサー８０が第２シールド１２０の内部に配置されていてもよい。
第４変形例に係る原子発振器では、上述した原子発振器１００と同様に、原子セル３０に対する外部の磁場の影響を低減できる。さらに、第４変形例に係る原子発振器では、ＩＣチップ１４２および磁気センサー８０が第２シールド１２０の外部に配置されているため、第２シールド１２０の内部にＩＣチップ１４２および磁気センサー８０を配置するスペースをつくらなくてもよい。そのため、例えば、第２シールド１２０の小型化を図ることができる。また、ＩＣチップ１４２を第２シールド１２０の外部に配置することによっ
て、ＩＣチップ１４２が発生させる磁場が、原子セル３０に与える影響を低減できる。
１．４．５． 第５変形例
次に、第５変形例に係る原子発振器について、図面を参照しながら説明する。図１４は、第５変形例に係る原子発振器を模式的に示す断面図である。なお、図１４は、図４に対応している。
上述した原子発振器１００では、図４に示すように、第２コイル７０は、第１シールド１１０の外部に配置されていた。
これに対して、第５変形例に係る原子発振器では、図１４に示すように、第２コイル７０は、第１シールド１１０の内部に配置されている。
第２コイル７０は、原子セル保持部材３２に設けられている。第２コイル７０は、例えば、銅配線などを円状、または矩形状にした単層のコイルである。なお、第２コイル７０として、らせん状の銅配線等で構成されたコイルを用いてもよい。
図示の例では、光源１０および光学系ユニット２０は、第２コイル７０の外側に配置され、原子セル３０は、第２コイル７０の内側に配置されている。
第５変形例に係る原子発振器では、第２コイル７０が第１シールド１１０の内部に配置されている。そのため、例えば、第２コイル７０が第１シールド１１０の外部に配置されている場合と比べて、第２コイル７０が発生させる磁場Ｂ２を弱くすることができる。これにより、原子発振器の消費電力を低減できる。
第５変形例に係る原子発振器では、第１シールド１１０の内部に第２コイル７０が配置されている。例えば、原子セル３０に対する外部の磁場の影響を低減するために３つのシールドで原子セル３０を覆う場合が考えられるが、第５変形例に係る原子発振器では、３つのシールドのうちの最も内側のシールド（すなわち原子セル３０に最も近いシールド）を設けなくてもよい。そのため、第５変形例に係る原子発振器では、小型化および低背化を図ることができる。さらに、第５変形例に係る原子発振器では、組み立て精度を向上できる。
１．４．６． 第６変形例
次に、第６変形例に係る原子発振器について、図面を参照しながら説明する。図１５は、第６変形例に係る原子発振器を模式的に示す断面図である。なお、図１５は、図４に対応している。
上述した原子発振器１００では、図４に示すように、第２コイル７０は、第２シールド１２０の内部に配置されていた。
これに対して、原子発振器１００では、図１５に示すように、第２コイル７０は、第２シールド１２０の外部に配置されている。
第２シールド１２０は、図示の例では、基部１２２が平坦であり、蓋部１２４が凹部を有している。蓋部１２４の凹部の開口を基部１２２で塞ぐことによって、第１シールド１１０等が収容される空間が形成されている。
第２シールド１２０は、第１シールド１１０のみを覆うように設けられている。すなわち、第２シールド１２０の内部には、第１シールド１１０および第１シールド１１０に収
容された原子セル３０等が配置されており、第１シールド１１０に収容されていない光源１０等は第２シールド１２０の内部に配置されていない。第２シールド１２０には、貫通孔が設けられている。光源１０から出射された光ＬＬは、第２シールド１２０の貫通孔および第１シールド１１０の貫通孔を通って原子セル３０に入射する。第２シールド１２０の貫通孔には、光ＬＬを透過させる部材が設けられていてもよい。
第６変形例に係る原子発振器では、第２シールド１２０の外部に第２コイル７０が配置されている。例えば、原子セル３０に対する外部の磁場の影響を低減するために３つのシールドで原子セル３０を覆う場合が考えられるが、第６変形例に係る原子発振器では、３つのシールドのうちの最も外側のシールドを設けなくてもよい。そのため、第６変形例に係る原子発振器では、小型化および低背化を図ることができる。さらに、第６変形例に係る原子発振器では、組み立て精度を向上できる。
２． 周波数信号生成システム
次に、本実施形態に係る周波数信号生成システムについて、図面を参照しながら説明する。以下のクロック伝送システム（タイミングサーバー）は、周波数信号生成システムの一例である。図１６は、クロック伝送システム９００を示す概略構成図である。
本発明に係るクロック伝送システムは、本発明に係る原子発振器を含む。以下では、一例として、原子発振器１００を含むクロック伝送システム９００について説明する。
クロック伝送システム９００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。
クロック伝送システム９００は、図１６に示すように、Ａ局（上位（Ｎ系））のクロック供給装置９０１およびＳＤＨ（Synchronous Digital Hierarchy）装置９０２と、Ｂ局（上位（Ｅ系））のクロック供給装置９０３およびＳＤＨ装置９０４と、Ｃ局（下位）のクロック供給装置９０５およびＳＤＨ装置９０６，９０７と、を備える。クロック供給装置９０１は、原子発振器１００を有し、Ｎ系のクロック信号を生成する。クロック供給装置９０１内の原子発振器１００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９０８，９０９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９０２は、クロック供給装置９０１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９０５に伝送する。クロック供給装置９０３は、原子発振器１００を有し、Ｅ系のクロック信号を生成する。クロック供給装置９０３内の原子発振器１００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９０８，９０９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９０４は、クロック供給装置９０３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９０５に伝送する。クロック供給装置９０５は、クロック供給装置９０１，９０３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。
クロック供給装置９０５は、通常、クロック供給装置９０１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９０５は、クロック供給装置９０３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９０６は、クロック供給装置９０５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９０７は、クロック供給装置９０５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。
本実施形態に係る周波数信号生成システムは、クロック伝送システムに限定されない。周波数信号生成システムは、原子発振器が搭載され、原子発振器の周波数信号を利用する各種の装置および複数の装置から構成されるシステムを含む。
本実施形態に係る周波数信号生成システムは、例えば、スマートフォン、タブレット端末、時計、携帯電話機、デジタルスチルカメラ、液体吐出装置（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、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、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（point of sales）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、心磁計）、魚群探知機、ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）周波数標準器、各種測定機器、計器類（例えば、自動車、航空機、船舶の計器類）、フライトシミュレーター、地上デジタル放送システム、携帯電話基地局、移動体（自動車、航空機、船舶等）であってもよい。
本発明は、本願に記載の特徴や効果を有する範囲で一部の構成を省略したり、各実施形態や変形例を組み合わせたりしてもよい。
本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
２…凹部、４…凹部、１０…光源、１２…光源基板、２０…光学系ユニット、２２…減光フィルター、２４…レンズ、２６…１／４波長板、２８…ホルダー、３０…原子セル、３２…原子セル保持部材、４０…受光素子、５０…ヒーター、５２…温度センサー、６０…第１コイル、７０…第２コイル、７０ａ…配線、７０ｂ…配線、７０ｃ…貫通電極、８０…磁気センサー、９０…制御ユニット、９２…温度制御部、９４…磁場制御部、９６…光源制御部、９８…シールド制御部、１００…原子発振器、１０２…実装基板、１１０…第１シールド、１２０…第２シールド、１２１…第１面、１２２…基部、１２３…開口、１２４…蓋部、１２５…第２面、１３０…回路基板、１３０ａ…基板、１３０ｂ…基板、１３０ｃ…基板、１３０ｄ…基板、１３０ｅ…基板、１４０…ＩＣチップ、１４２…ＩＣチップ、１５０…リードピン、９００…クロック伝送システム、９０１…クロック供給装置、９０２…ＳＤＨ装置、９０３…クロック供給装置、９０４…ＳＤＨ装置、９０５…クロック供給装置、９０６…ＳＤＨ装置、９０７…ＳＤＨ装置、９０８…マスタークロック、９０９…マスタークロック

Claims (8)

  1. 光を出射する光源と、
    アルカリ金属原子が収容され、前記光源から出射された光が入射する原子セルと、
    前記原子セルに磁場を印加する第１コイルと、
    前記原子セルおよび前記第１コイルを収容し、磁場を遮蔽する第１シールドと、
    凹部を有する第１部材と、第２部材と、を含み、前記第１部材と前記第２部材とによって形成された空間に前記光源および前記第１シールドを収容し、磁場を遮蔽する第２シールドと、
    前記凹部の開口を通過する磁場を発生させる第２コイルと、
    を含む、原子発振器。
  2. 請求項１において、
    前記第２コイルは、前記第１シールドの外部に配置されている、原子発振器。
  3. 請求項１または２において、
    前記第２コイルは、前記第２シールドの内部に配置されている、原子発振器。
  4. 請求項１ないし３のいずれか１項において、
    前記第２シールドに収容された多層基板を含み、
    前記第２コイルは、前記多層基板の少なくとも２層に配置されている、原子発振器。
  5. 請求項１または２において、
    前記第２コイルは、前記第２シールドの外部に配置されている、原子発振器。
  6. 請求項１ないし５のいずれか１項において、
    前記第２コイルの内側に配置され、磁場を検出する磁気センサーを含む、原子発振器。
  7. 原子発振器を含む周波数信号生成システムであって、
    前記原子発振器は、
    光を出射する光源と、
    前記光源から出射された光が入射する原子セルと、
    前記原子セルに磁場を印加する第１コイルと、
    前記原子セルおよび前記第１コイルを収容し、磁場を遮蔽する第１シールドと、
    凹部を有する第１部材と、第２部材と、を含み、前記第１部材と前記第２部材とによって形成された空間に前記光源および前記第１シールドを収容し、磁場を遮蔽する第２シールドと、
    前記凹部の開口を通過する磁場を発生させる第２コイルと、
    を含む、周波数信号生成システム。
  8. 原子発振器の磁場制御方法であって、
    前記原子発振器は、
    光を出射する光源と、
    アルカリ金属原子が収容され、前記光源から出射された光が入射する原子セルと、
    前記原子セルに磁場を印加する第１コイルと、
    前記原子セルおよび前記第１コイルを収容し、磁場を遮蔽する第１シールドと、
    凹部を有する第１部材と、第２部材と、を含み、前記第１部材と前記第２部材とによって形成された空間に前記光源および前記第１シールドを収容し、磁場を遮蔽する第２シールドと、
    前記凹部の開口を通過する磁場を発生させる第２コイルと、
    を含み、
    前記磁場制御方法は、
    前記第２コイルに電流を供給して前記凹部の開口を通過する磁場を発生させること、
    前記第２コイルによって前記凹部の開口を通過する磁場を発生させた状態で、前記第１コイルに電流を供給すること、
    を含む、磁場制御方法。
JP2017254198A 2017-12-28 2017-12-28 原子発振器、周波数信号生成システム、および原子発振器の磁場制御方法 Pending JP2019121853A (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017254198A JP2019121853A (ja) 2017-12-28 2017-12-28 原子発振器、周波数信号生成システム、および原子発振器の磁場制御方法
US16/225,446 US10725430B2 (en) 2017-12-28 2018-12-19 Atomic oscillator and magnetic field control method of atomic oscillator
CN201811597136.XA CN109981105A (zh) 2017-12-28 2018-12-26 原子振荡器、频率信号生成系统以及磁场控制方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017254198A JP2019121853A (ja) 2017-12-28 2017-12-28 原子発振器、周波数信号生成システム、および原子発振器の磁場制御方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2019121853A true JP2019121853A (ja) 2019-07-22

Family

ID=67058191

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2017254198A Pending JP2019121853A (ja) 2017-12-28 2017-12-28 原子発振器、周波数信号生成システム、および原子発振器の磁場制御方法

Country Status (3)

Country Link
US (1) US10725430B2 (ja)
JP (1) JP2019121853A (ja)
CN (1) CN109981105A (ja)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111831050B (zh) * 2020-06-30 2023-06-13 河南省交通规划设计研究院股份有限公司 一种磁感自适应调控装配路面及其施工工艺和控制方法

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5457430A (en) * 1994-11-10 1995-10-10 Ball Corporation Method and apparatus for reduction of light intensity decay in optical pumping devices
US5670914A (en) * 1995-09-25 1997-09-23 Northrop Grumman Corporation Miniature atomic frequency standard
US5657340A (en) * 1996-04-19 1997-08-12 The Aerospace Corporation Rubidium atomic clock with fluorescence optical pumping and method using same
JP2005175221A (ja) * 2003-12-11 2005-06-30 Fujitsu Ltd 原子発振器の静磁場印加構造
CN102075187B (zh) * 2011-02-22 2013-03-13 合肥威师智能电子电器厂 Cpt原子钟伺服电路
CN103048916B (zh) * 2012-12-17 2015-10-07 江汉大学 复合式原子钟
JP6263869B2 (ja) 2013-06-17 2018-01-24 セイコーエプソン株式会社 原子発振器、および電子機器
JP6535436B2 (ja) 2013-09-17 2019-06-26 セイコーエプソン株式会社 原子共鳴遷移装置、原子発振器、電子機器および移動体
CN106104396B (zh) * 2014-02-06 2019-09-13 奥罗利亚瑞士股份公司 用于原子钟的装置
JP2016092146A (ja) * 2014-10-31 2016-05-23 セイコーエプソン株式会社 量子干渉装置、原子発振器、電子機器および移動体
EP3112853A1 (en) * 2015-07-03 2017-01-04 Memscap S.A. Apparatus for an atomic clock
JP6627334B2 (ja) 2015-09-01 2020-01-08 セイコーエプソン株式会社 原子発振器および電子機器
JP2017092796A (ja) * 2015-11-13 2017-05-25 セイコーエプソン株式会社 原子発振器および原子発振器の温度制御方法
CN105467821B (zh) * 2015-12-01 2018-04-06 北京无线电计量测试研究所 一种相干布居囚禁原子钟的物理系统
CN106873352B (zh) * 2017-01-10 2019-04-05 清华大学 脉冲积分球原子钟系统
CN106877865B (zh) * 2017-01-10 2018-08-28 清华大学 碱金属气室原子钟系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN109981105A (zh) 2019-07-05
US10725430B2 (en) 2020-07-28
US20190204789A1 (en) 2019-07-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10396810B2 (en) Quantum interference device, atomic oscillator, electronic apparatus, and moving object
US9342269B2 (en) Quantum interference unit, quantum interference device, atomic oscillator, electronic apparatus, and moving object
JP2017073623A (ja) 原子発振器
JP6627334B2 (ja) 原子発振器および電子機器
US10812093B2 (en) Frequency signal generation apparatus and frequency signal generation system
JP6763135B2 (ja) 原子発振器
US10868553B2 (en) Atomic oscillator
US10725430B2 (en) Atomic oscillator and magnetic field control method of atomic oscillator
JP2019193237A (ja) 原子発振器および周波数信号生成システム
US10432204B2 (en) Atomic oscillator
JP7027828B2 (ja) 原子発振器、および周波数信号生成システム
JP6661985B2 (ja) 原子発振器
JP2019092042A (ja) 原子発振器、および周波数信号生成システム
JP7473319B2 (ja) 原子発振器及び周波数信号生成システム
JP7017066B2 (ja) 原子発振器、および周波数信号生成システム
US11005487B2 (en) Atomic oscillator and frequency signal generation system
JP7024337B2 (ja) 原子発振器、および周波数信号生成システム
JP7473326B2 (ja) 原子発振器及び周波数信号生成システム
US10727851B2 (en) Atomic oscillator
JP2019087865A (ja) 周波数信号生成装置および周波数信号生成システム
JP2019121862A (ja) 原子発振器および周波数信号生成システム
JP2019121651A (ja) シールドおよび原子発振器
JP2014160978A (ja) 量子干渉装置、原子発振器、電子機器および移動体
JP2017135529A (ja) 原子発振器