JP2020162054A - 原子発振器および周波数信号生成システム - Google Patents

原子発振器および周波数信号生成システム Download PDF

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Abstract

【課題】周波数安定性が高い原子発振器および周波数信号生成システムを提供すること。【解決手段】第１部分と、前記第１部分とは異なる位置の第２部分と、を有し、アルカリ金属原子が収容されている原子セルと、前記アルカリ金属原子を励起する光を前記原子セルに向って出射する発光素子と、前記第１部分の温度を検出する第１温度検出素子と、前記第１温度検出素子の検出結果に基づいて、前記第１部分の温度を制御する第１温度制御素子と、前記第１部分と前記第２部分との間の熱抵抗以上の熱抵抗を有する部分に配置され、前記部分の温度を検出する第２温度検出素子と、前記第２温度検出素子の検出結果、または前記第１温度制御素子が行う温度制御の情報に基づいて、前記第２部分の温度を前記第１部分の温度よりも高い温度に制御する第２温度制御素子と、前記原子セルを透過した光を受光する受光素子と、を含む、原子発振器。【選択図】図５

Description

本発明は、原子発振器および周波数信号生成システムに関するものである。
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。例えば、特許文献１に記載の光周波数基準セル装置は、原子発振器に用いられ、第１のセル部および第２のセル部を有し、アルカリ金属原子が封入されているセルと、第１のセル部の温度を検出する第１の測温素子と、第１の測温素子の検出結果に基づいて第１のセル部の温度を制御する第１の温度制御手段と、第２のセル部の温度を検出する第２の測温素子と、第２の測温素子の検出結果に基づいて第２のセル部の温度を制御する第２の温度制御手段と、を有する。第１の温度制御素子および第２の温度制御素子により、第２のセル部の温度を第１のセル部の温度より１０〜１５℃低く設定する。これにより、セルの内の金属蒸気圧を制御することができる。
特開平１０−２８１８８３号公報
しかしながら、特許文献１に記載の光周波数基準セル装置では、第１の温度制御素子には第１の測温素子の検出結果が、第２の温度制御素子には第２の測温素子の検出結果が、それぞれフィードバックされるため、それぞれの温度制御が干渉し合い、制御が収束せず、セルの温度が不安定になるおそれがある。その結果、原子発振器の周波数安定性を低下させるおそれがある。
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の適用例として実現することが可能である。
本適用例に係る原子発振器は、第１部分と、前記第１部分とは異なる位置の第２部分と、を有し、アルカリ金属原子が収容されている原子セルと、
前記アルカリ金属原子を励起する光を前記原子セルに向って出射する発光素子と、
前記第１部分の温度を検出する第１温度検出素子と、
前記第１温度検出素子の検出結果に基づいて、前記第１部分の温度を制御する第１温度制御素子と、
前記第１部分と前記第２部分との間の熱抵抗以上の熱抵抗を有する部分に配置され、前記部分の温度を検出する第２温度検出素子と、
前記第２温度検出素子の検出結果、または前記第１温度制御素子が行う温度制御の情報に基づいて、前記第２部分の温度を前記第１部分の温度よりも高い温度に制御する第２温度制御素子と、
前記原子セルを透過した光を受光する受光素子と、を含む。
本適用例に係る原子発振器では、前記検出結果と、前記第２温度制御素子の制御信号との関係を示す検量線に基づいて決定された制御信号が前記第２温度制御素子に入力されることが好ましい。
本適用例に係る原子発振器では、前記第１温度制御素子が行う温度制御の情報と、前記第２温度制御素子の制御信号との関係を示す検量線に基づいて決定された制御信号が前記第２温度制御素子に入力されることが好ましい。
本適用例に係る原子発振器では、前記第２温度制御素子は、前記第１温度制御素子であることが好ましい。
本適用例に係る原子発振器では、磁気シールド性を有し、前記原子セルを収容するシールドを含み、
前記第１温度検出素子は、前記シールドの内側に配置され、前記第２温度検出素子は、前記シールドの外側に配置されていることが好ましい。
本適用例に係る原子発振器は、第１部分と、前記第１部分とは異なる位置の第２部分と、を有し、アルカリ金属原子が収容されている原子セルと、
前記アルカリ金属原子を励起する光を前記原子セルに向って出射する発光素子と、
前記第１部分の温度を検出する第１温度検出素子と、
前記第１温度検出素子の検出結果に基づいて、前記第１部分の温度を制御する第１温度制御素子と、
一定の出力値で前記第２部分を前記第１部分の温度よりも高い温度に制御する第２温度制御素子と、
前記原子セルを透過した光を受光する受光素子と、を含む。
本適用例に係る周波数信号生成システムは、原子発振器と、
前記原子発振器からの周波数信号を処理する処理部と、を備え、
前記原子発振器は、
第１部分と、前記第１部分とは異なる位置の第２部分と、を有し、アルカリ金属原子が収容されている原子セルと、
前記アルカリ金属原子を励起する光を前記原子セルに向って出射する発光素子と、
前記第１部分の温度を検出する第１温度検出素子と、
前記第１温度検出素子の検出結果に基づいて、前記第１部分の温度を制御する第１温度制御素子と、
前記第１部分と前記第２部分との間の熱抵抗以上の熱抵抗を有する部分に配置され、前記部分の温度を検出する第２温度検出素子と、
前記第２温度検出素子の検出結果、または前記第１温度制御素子が行う温度制御の情報に基づいて、前記第２部分の温度を前記第１部分の温度よりも高い温度に制御する第２温度制御素子と、
前記原子セルを透過した光を受光する受光素子と、を含む。
本適用例に係る周波数信号生成システムは、原子発振器と、
前記原子発振器からの周波数信号を処理する処理部と、を備え、
前記原子発振器は、第１部分と、前記第１部分とは異なる位置の第２部分と、を有し、アルカリ金属原子が収容されている原子セルと、
前記アルカリ金属原子を励起する光を前記原子セルに向って出射する発光素子と、
前記第１部分の温度を検出する第１温度検出素子と、
前記第１温度検出素子の検出結果に基づいて、前記第１部分の温度を制御する第１温度制御素子と、
一定の出力値で前記第２部分を前記第１部分の温度よりも高い温度に制御する第２温度制御素子と、
前記原子セルを透過した光を受光する受光素子と、を含む。
第１実施形態に係る原子発振器を示す概略図である。 第１実施形態に係る原子発振器の断面側面図、すなわち、ＸＺ平面に沿った断面図である。 第１実施形態に係る原子発振器の平面図、すなわち、ＸＺ平面に沿った断面図）である。 第１実施形態に係る原子発振器が備える原子セルユニットのＸＹ平面に沿った断面図である。 第１実施形態に係る原子発振器が備える原子セルユニットのＸＺ平面に沿った断面図である。 第１実施形態に係る原子発振器が備える原子セルユニットのＸＹ平面に沿った模式的な断面図であり、熱的な接続および電気的な接続を示す概略構成図である。 図１に示す温度制御回路が行う制御動作を示すフローチャートである。 第２実施形態に係る原子発振器が備える原子セルユニットのＸＹ平面に沿った模式的な断面図であり、熱的な接続および電気的な接続を示す概略構成図である。 第３実施形態に係る原子発振器が備える原子セルユニットのＸＹ平面に沿った模式的な断面図であり、熱的な接続および電気的な接続を示す概略構成図である。 第４実施形態に係る原子発振器が備える原子セルユニットのＸＹ平面に沿った模式的な断面図であり、熱的な接続および電気的な接続を示す概略構成図である。 ＧＰＳ（Global Positioning System）衛星を利用した測位システム、すなわち、周波数信号生成システムの一例の概略構成を示す図である。
以下、本発明の原子発振器および周波数信号生成システムを添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
図１は、第１実施形態に係る原子発振器を示す概略図である。
図１に示す原子発振器１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を利用した原子発振器である。この現象は、電磁誘起透過現象（ＥＩＴ：Electromagnetically Induced Transparency）などとも呼ばれる。
この原子発振器１は、図１に示すように、発光素子モジュール１０と、原子セルユニット２０と、発光素子モジュール１０と原子セルユニット２０との間に設けられている光学系ユニット３０と、発光素子モジュール１０および原子セルユニット２０の作動を制御する制御回路５０と、を備える。以下、まず、原子発振器１の概略について説明する。
発光素子モジュール１０は、ペルチェ素子１０１と、発光素子１０２と、温度センサー１０３と、を備える。発光素子１０２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。また、温度センサー１０３は、発光素子１０２の温度を検出する。また、ペルチェ素子１０１は、発光素子１０２の温度を調節する、すなわち、発光素子１０２を加温または冷却する。
光学系ユニット３０は、減光フィルター３０１と、集光レンズ３０２と、１／４波長板３０３と、を備え、これらが光ＬＬの光軸ａに沿って並んでいる。減光フィルター３０１は、前述した発光素子１０２からの光ＬＬの強度を減少させる。また、集光レンズ３０２は、例えば光ＬＬを平行光に近づけるように光ＬＬの放射角度を調整する。また、１／４波長板３０３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、すなわち、右円偏光または左円偏光に変換する。
原子セルユニット２０は、原子セル２０１と、受光素子２０２と、第２温度制御素子であるヒーター２０３と、温度センサー２０４と、コイル２０５と、第１温度制御素子である温度制御素子２１２と、第１温度検出素子である温度センサー２１３と、を備える。
原子セル２０１は、光ＬＬに対する透過性を有し、原子セル２０１内には、アルカリ金属原子が封入されている。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２０１には、発光素子１０２からの光ＬＬが減光フィルター３０１、集光レンズ３０２および１／４波長板３０３を介して入射する。そして、受光素子２０２は、原子セル２０１を通過した光ＬＬを受光し、その受光強度に応じた信号を出力する。
ヒーター２０３は、第２温度制御素子であり、原子セル２０１内のアルカリ金属原子を加熱し、そのアルカリ金属原子の少なくとも一部を所望濃度のガス状態とする。コイル２０５は、原子セル２０１内のアルカリ金属原子に所定方向の磁場を印加し、その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。このようにアルカリ金属原子のエネルギー準位がゼーマン分裂した状態において、前述したような円偏光の共鳴光対がアルカリ金属原子に照射されると、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、すなわち、ＥＩＴ現象に伴って受光素子２０２の出力信号に現れる信号が大きくなり、その結果、原子発振器１の発振特性、特に短期周波数安定度を向上させることができる。
制御回路５０は、温度制御回路５０１と、光源制御回路５０２と、磁場制御回路５０３と、温度制御回路５０４と、記憶部５１２と、を備える。温度制御回路５０１は、本実施形態では、温度センサー２１３の検出結果に基づいて、原子セル２０１内が所望の温度となるように、温度制御素子２１２およびヒーター２０３への通電を制御する。また、磁場制御回路５０３は、コイル２０５が発生する磁場が一定となるように、コイル２０５への通電を制御する。また、温度制御回路５０４は、温度センサー１０３の検出結果に基づいて、発光素子１０２の温度が所望の温度となるように、ペルチェ素子１０１への通電を制御する。これらの制御回路は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）のようなプロセッサーを用いてもよい。すなわち、プロセッサーで記憶部５１２に記憶されたプログラムを実行することで、後述するような制御動作を実行するようにしてもよい。
光源制御回路５０２は、受光素子２０２の検出結果に基づいて、ＥＩＴ現象が生じるように、発光素子１０２からの光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２０１内の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。また、光源制御回路５０２は、前述した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図示しない電圧制御型発振器（ＶＣＯ：Voltage controlled Oscillator）を備えており、この電圧制御型発振器の出力信号を原子発振器１の出力信号、すなわち、クロック信号として出力する。
以上、原子発振器１の概略について説明した。以下、図２ないし図６に基づいて、原子発振器１のより具体的な構成について説明する。
図２は、第１実施形態に係る原子発振器の断面側面図、すなわち、ＸＺ平面に沿った断面図である。図３は、第１実施形態に係る原子発振器の平面図、すなわち、ＸＺ平面に沿った断面図である。図４は、第１実施形態に係る原子発振器が備える原子セルユニットのＸＹ平面に沿った断面図である。図５は、第１実施形態に係る原子発振器が備える原子セルユニットのＸＺ平面に沿った断面図である。図６は、第１実施形態に係る原子発振器が備える原子セルユニットのＸＹ平面に沿った模式的な断面図であり、熱的な接続および電気的な接続を示す概略構成図である。図７は、図１に示す温度制御回路が行う制御操作を示すフローチャートである。
以下では、説明の便宜上、互いに直交する３軸であるＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を用いて説明を行う。なお、本明細書において、Ｚ軸は、後述する支持部材４０の設置面４０１および設置面４０３に垂直な軸である。Ｘ軸は、発光素子モジュール１０から出射された光ＬＬに沿う軸である。言い換えると、Ｘ軸は、発光素子モジュール１０と原子セルユニット２０との配列方向に沿う軸である。Ｙ軸は、Ｘ軸およびＺ軸に垂直な軸である。
図２に示すように、原子発振器１は、発光素子モジュール１０と、原子セルユニット２０と、発光素子モジュール１０を保持している光学系ユニット３０と、原子セルユニット２０および光学系ユニット３０を一括して支持している支持部材４０と、発光素子モジュール１０および原子セルユニット２０に電気的に接続されている制御回路５０と、これらを収納しているパッケージ６０と、を備えている。
（発光素子モジュール）
発光素子モジュール１０は、ペルチェ素子１０１と、発光素子１０２と、温度センサー１０３と、これらを収納しているパッケージ１０４と、を有している。
パッケージ１０４は、図示しないが、互いに接合されているベースおよびリッドを有し、これらの間に、ペルチェ素子１０１、発光素子１０２および温度センサー１０３を収納している気密空間が形成されている。このようなパッケージ１０４内は、減圧（真空）状態であることが好ましい。これにより、パッケージ１０４の外部の温度変化がパッケージ１０４内の発光素子１０２や温度センサー１０３等に与える影響を低減し、パッケージ１０４内の発光素子１０２や温度センサー１０３等の温度変動を低減することができる。なお、パッケージ１０４内は、減圧状態でなくともよく、また、窒素、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガスが封入されていてもよい。
ここで、ベースは、例えば、絶縁性のセラミックス材料で構成されている。また、ベースの内表面には、ペルチェ素子１０１、発光素子１０２および温度センサー１０３に電気的に接続される複数の接続電極が設けられており、これらの接続電極は、それぞれ、ベースを貫通する貫通電極を介して、ベースの外表面に設けられた外部実装電極に電気的に接続されている。一方、リッドは、例えば、セラミックスと線膨張係数の近いコバールのような金属材料で構成されている。そして、リッドは、ベースに対して、例えば、シーム溶接等により接合されている。また、リッドには、発光素子１０２からの光ＬＬを透過する孔が設けられており、この孔は、ガラス材料等の光透過性の板状の部材により気密的に塞がれている。このようなパッケージ１０４のベースの内表面には、図示しないが、ペルチェ素子１０１が接着剤により固定されている。
ペルチェ素子１０１は、供給される電流の向きにより、発光素子１０２側が発熱側となる状態と、発光素子１０２側が吸熱側となる状態と、を切り換えることができる。そのため、環境温度の範囲が広くても、発光素子１０２等を所望の温度、すなわち、目標温度に温度調節することができる。これにより、温度変化による悪影響、例えば、光ＬＬの波長変動等をより低減することができる。ここで、発光素子１０２の目標温度は、発光素子１０２の特性に応じて決められるものであり、特に限定されないが、例えば、３０℃以上４０℃以下程度である。このようなペルチェ素子１０１上には、発光素子１０２および温度センサー１０３が設置されている。
発光素子１０２は、例えば、垂直共振器面発光レーザー、すなわち、ＶＣＳＥＬ等の半導体レーザーである。半導体レーザーは、直流バイアス電流に高周波信号を重畳して、すなわち、変調を掛けて用いることにより、波長の異なる２種の光を出射させることができる。本実施形態では、発光素子１０２から出射する光は、直線偏光している。また、温度センサー１０３は、例えば、サーミスタ、熱電対等の温度検出素子である。
（光学系ユニット）
図２に示すように、光学系ユニット３０は、減光フィルター３０１と、集光レンズ３０２と、１／４波長板３０３と、これらを保持しているホルダー３０４と、を有している。ここで、ホルダー３０４は、両端が開口した貫通孔３０５を有する。この貫通孔３０５は、光ＬＬの通過領域であり、貫通孔３０５内には、減光フィルター３０１、集光レンズ３０２および１／４波長板３０３がこの順で光ＬＬの光軸ａに沿って並んで配置されている。図３に示すように、減光フィルター３０１、集光レンズ３０２および１／４波長板３０３は、それぞれ、図示しない接着剤等によりホルダー３０４に対して固定されている。このようなホルダー３０４は、例えば、アルミニウム等の金属材料で構成されており、放熱性を有する。
前述したように、減光フィルター３０１は、前述した発光素子１０２からの光ＬＬの強度を減少させる機能を有する。減光フィルター３０１としては、特に限定されず、吸収型または反射型のいずれであってもよい。また、集光レンズ３０２は、光ＬＬの放射角度を例えば光ＬＬを平行光に近づけるよう調整する機能を有する。これにより、原子セル２０１内において光ＬＬのパワー密度が進行方向で変化するのを低減し、ＥＩＴ信号の線幅の拡がりを抑制することができる。その結果、原子発振器１の発振特性、特に短期周波数安定度を向上させることができる。また、１／４波長板３０３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、すなわち、右円偏光または左円偏光に変換する機能を有する。これにより、コイル２０５からの磁界との相互作用により、ＥＩＴ信号の強度を大きくすることができる。
なお、光学系ユニット３０は、発光素子１０２からの光ＬＬの強度等によっては、減光フィルター３０１を省略することができる。また、光学系ユニット３０は、減光フィルター３０１、集光レンズ３０２および１／４波長板３０３以外の光学素子を有していてもよい。また、減光フィルター３０１、集光レンズ３０２および１／４波長板３０３の配置順は、図示の順に限定されず、任意である。また、減光フィルター３０１、集光レンズ３０２および１／４波長板３０３のそれぞれの姿勢は、任意である。
（原子セルユニット）
原子セルユニット２０は、前述したように、原子セル２０１と、受光素子２０２と、ヒーター２０３と、コイル２０５とを備える。また、これらの他に、原子セルユニット２０は、図４に示すように、原子セル２０１を保持している保持部材２０６と、保持部材２０６に固定されている伝熱部材２１０と、原子セル２０１、受光素子２０２、コイル２０５、保持部材２０６および伝熱部材２１０を収納している第１シールド２０７と、第１シールド２０７を収納している第２シールド２０８と、第１シールド２０７と第２シールド２０８との間に配置されている複数のスペーサー２０９と、温度制御素子２１２と、温度センサー２１３と、を備える。
原子セル２０１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２０１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２０１は、２つの柱状の貫通孔を有する胴体部２０１ａと、その胴体部２０１ａに接合されている１対の窓部２０１ｂ、２０１ｃと、を有し、これらにより気密封止された内部空間Ｓを形成している。
本実施形態では、内部空間Ｓは、光ＬＬが通過する空間Ｓ１と、空間Ｓ１に連通し、図示しない固体または液体のアルカリ金属を収納している空間Ｓ２と、を有する。ここで、一方の窓部２０１ｂには、空間Ｓ１へ入射する光ＬＬが透過し、他方の窓部２０１ｃには、空間Ｓ１から出射した光ＬＬが透過する。なお、内部空間Ｓは、前述したような空間Ｓ１、Ｓ２を有する形態に限定されず、例えば、空間Ｓ２を省略した形態であってもよい。
各窓部２０１ｂ、２０１ｃの構成材料としては、光ＬＬに対する透過性を有していればよく、例えば、ガラス材料、水晶等が挙げられる。一方、胴体部２０１ａの構成材料としては、特に限定されず、金属材料、ガラス材料、シリコン材料、水晶等が挙げられるが、加工性や各窓部２０１ｂ、２０１ｃの接合の観点から、ガラス材料、シリコン材料を用いるのが好ましい。また、胴体部２０１ａと各窓部２０１ｂ、２０１ｃ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、特に限定されないが、例えば、直接接合法、陽極接合法、溶融接合法、オプティカル接合法等を用いることができる。
このような原子セル２０１は、後述するブロック２０６ｂに覆われ、冷却される部分が第１部分２０１Ａであり、後述するブロック２０６ａに覆われ、加熱される部分が第２部分２０１Ｂである。なお、第１部分２０１Ａと第２部分２０１Ｂとは、明確な境界を有していなくてもよい。
図４に示すように、保持部材２０６は、光ＬＬの通過領域を避けつつ原子セル２０１の外表面を覆うように設けられている２つのブロック２０６ａ、２０６ｂで構成されている。ここで、２つのブロック２０６ａ、２０６ｂは、それぞれ、熱伝導率が１０Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１以上であり、かつ、コイル２０５から原子セル２０１への磁界を阻害しない材料、例えば、アルミニウム等の非磁性の金属材料で構成されている。また、保持部材２０６には、原子セル２０１に入射する光ＬＬが通過する開口部２０６ｃと、原子セル２０１から出射した光ＬＬが通過する開口部２０６ｄと、が設けられている。なお、以下では、１０Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１以上であることを、「熱伝導性に優れた」「熱伝導性が良い」等と表現する場合がある。
ブロック２０６ａは、原子セル２０１の外表面の空間Ｓ１側の部分、すなわち、第２部分２０１Ｂに熱的に接続されている。具体的には、ブロック２０６ａは、原子セル２０１の外表面の空間Ｓ１側の部分に対して、接触しているか、または、熱伝導性に優れた例えば金属等の部材を介して接続されている。そして、ブロック２０６ａは、第１シールド２０７を介してヒーター２０３に熱的に接続されている。これにより、ヒーター２０３からの熱により原子セル２０１、より具体的には空間Ｓ１を加熱することができる。また、このように、原子セル２０１とヒーター２０３との間にブロック２０６ａを介在させることで、原子セル２０１とヒーター２０３との間の距離を大きくし、ヒーター２０３への通電により生じた不要磁場が原子セル２０１内のアルカリ金属原子に悪影響を与えるのを抑制することができる。また、原子セル２０１にヒーターを接触させる構成に比べて、ヒーターの数を少なくすることができるという利点もある。
一方、ブロック２０６ｂは、原子セル２０１の外表面の空間Ｓ２側の部分、すなわち、第１部分２０１Ａに熱的に接続されている。具体的には、ブロック２０６ｂは、原子セル２０１の外表面の空間Ｓ２側の部分に対して、接触しているか、または、熱伝導性に優れた例えば金属等の部材を介して接続されている。そして、ブロック２０６ｂは、ブロック２０６ａに対して離間している。そのため、ブロック２０６ｂは、ブロック２０６ａに比べて、ヒーター２０３からの熱が伝わりにくくなっている。
また、原子セル２０１の構成材料は、熱伝導率が比較的低く、第１部分２０１Ａと第２部分２０１Ｂとの間での熱の伝達は、ほぼ無視することができる。そして、ブロック２０６ａおよびブロック２０６ｂは、離間しているため、第１部分２０１Ａと温度制御素子２１２との間の熱の経路と、第２部分２０１Ｂとヒーター２０３との間の熱の経路とは、ブロック２０６ａとブロック２０６ｂとが連続している場合と比較して、熱の伝達が軽減されている、すなわち、これら２つの熱の経路は互いに分離されていると言える。
このようなブロック２０６ａおよびブロック２０６ｂによって原子セル２０１は、温度が異なる２つの部分を有する状態となる。すなわち、ブロック２０６ａに覆われた第１部分２０１Ａは、冷却されて比較的低温となり、ブロック２０６ｂによって覆われた第２部分２０１Ｂは、加熱されて第１部分２０１Ａよりも高温となる。このようなことから、空間Ｓ１では、アルカリ金属原子が気体として存在し、空間Ｓ２では、アルカリ金属原子が液体または固体として原子セル２０１の内壁に付着した状態となる。
なお、ブロック２０６ａ、２０６ｂの形状は、空間Ｓ１への光ＬＬの通過を許容しつつヒーター２０３からの熱を空間Ｓ１に伝達することができればよく、図示の形状に限定されない。また、保持部材２０６は、ブロック２０６ａ、２０６ｂの間に熱抵抗が相対的に大きい部分があれば一体化していてもよいし、ブロック２０６ａ、２０６ｂがそれぞれ複数の部材で構成されていてもよい。
このような保持部材２０６の外周には、中心軸が光ＬＬの光軸ａに沿うように巻回されたコイル２０５が配置されている。コイル２０５は、ソレノイド型のコイル、または、ヘルムホルツ型の１対のコイルである。このコイル２０５は、原子セル２０１内に光ＬＬの光軸ａに沿った方向、すなわち、平行な方向の磁場を発生させる。これにより、原子セル２０１内の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。なお、コイル２０５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、保持部材２０６の開口部２０６ｄ内には、受光素子２０２が配置されている。受光素子２０２としては、原子セル２０１内を透過した光ＬＬ、すなわち、共鳴光対の強度を検出し得るものであれば、特に限定されないが、例えば、フォトダイオード等の受光素子である光検出器が挙げられる。温度センサー２０４としては、原子セル２０１またはヒーター２０３の温度を検出することができれば、特に限定されないが、例えば、サーミスタ、熱電対等の公知の各種温度センサーが挙げられる。
ここで、受光素子２０２および温度センサー２０４は、後述するフレキシブル配線基板５０８ｂ上に配置されている。このフレキシブル配線基板５０８ｂは、受光素子２０２および温度センサー２０４に電気的に接続されている配線５１０を有しており、保持部材２０６と伝熱部材２１０との間に挟まれることで、保持部材２０６に対して固定されている。これにより、受光素子２０２および温度センサー２０４を原子セル２０１に対して位置決めすることができる。
伝熱部材２１０は、熱伝導性を有し、保持部材２０６およびフレキシブル配線基板５０８ｂに対して熱的に接続されている。そして、伝熱部材２１０は、保持部材２０６を介してヒーター２０３とも熱的に接続されている。これにより、伝熱部材２１０が保持部材２０６からの熱をフレキシブル配線基板５０８ｂおよび受光素子２０２に伝導することができる。本実施形態では、図４および図５に示すように、伝熱部材２１０は、板状をなし、ＹＺ平面に沿って配置され、保持部材２０６のブロック２０６ａに対して、ネジ２１１を用いたネジ止めにより固定されている。
また、伝熱部材２１０は、図４および図５に示すように、保持部材２０６の開口部２０６ｄをできるだけ塞ぐように設けられている。これにより、伝熱部材２１０が保持部材２０６と一体的に熱を伝導することができる。また、伝熱部材２１０は、光軸ａ方向から見たとき、受光素子２０２および温度センサー２０４に重なっている。これにより、伝熱部材２１０からの熱が受光素子２０２および温度センサー２０４に伝導されやすくなる。
このような伝熱部材２１０の構成材料としては、熱伝導性に優れ、かつ、コイル２０５から原子セル２０１への磁界を阻害しない材料、例えば、銅、アルミニウム等の非磁性の金属材料、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ：carbon fiber reinforced plastic）、シリカ等の熱伝導性のフィラーを添加した樹脂材料等が挙げられる。
伝熱部材２１０の構成材料の熱伝導率は、１０Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１以上であることが好ましく、２０Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１以上であることがより好ましく、１００Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１以上であることがさらに好ましい。これにより、配線５１０の受光素子２０２近傍部分を伝熱部材２１０により好適に加熱することができる。これに対し、かかる熱伝導率が小さすぎると、伝熱部材２１０に温度勾配が生じやすくなる傾向を示す。
前述したような原子セル２０１、受光素子２０２、温度センサー２０４、コイル２０５、保持部材２０６および伝熱部材２１０は、図４に示すように、シールドとしての第１シールド２０７に収納されている。第１シールド２０７は、保持部材２０６を介して原子セル２０１を支持しており、これにより、保持部材２０６を介して原子セル２０１に熱的に接続されている。また、第１シールド２０７には、原子セル２０１の空間Ｓ１に入射する光ＬＬの通過を許容する開口部２０７ａが設けられている。また、第１シールド２０７は、前述した伝熱部材２１０に対して離間した状態で対向している部分２０７ｂを有する。なお、第１シールド２０７は、伝熱部材２１０に対して接触していてもよい。
ここで、第１シールド２０７の構成材料としては、熱伝導性に優れ、かつ、磁気シールド性を有する材料を用いることが好ましく、具体的には、鉄、コバール、パーマロイ、ステンレス鋼等の鉄系合金等を用いることが好ましい。第１シールド２０７が優れた熱伝導性を有することで、ヒーター２０３からの熱を効率的に保持部材２０６に伝導することができる。また、第１シールド２０７の温度分布の均一化を図ることができ、原子セル２０１周辺の温度勾配を低減することもできる。さらに、第１シールド２０７が磁気シールド性を有することで、外部磁場により第１シールド２０７内、特に原子セル２０１内の磁場が変動するのを低減することができる。
このような第１シールド２０７は、図４に示すように、第２シールド２０８に収納されている。第２シールド２０８は、複数のスペーサー２０９を介して第１シールド２０７を支持しており、これにより、第１シールド２０７に対して離間している。よって、第１シールド２０７と第２シールド２０８との間に隙間が形成され、当該隙間が断熱層として機能するため、第１シールド２０７と第２シールド２０８との間の熱の移動を低減することができる。ここで、各スペーサー２０９は、断熱性を有する材料、例えば、ポリイミド系樹脂、アクリル系樹脂等の樹脂材料で構成されていることが好ましい。これにより、スペーサー２０９を介した第１シールド２０７と第２シールド２０８との間の熱の移動を低減することができる。また、第２シールド２０８には、原子セル２０１の空間Ｓ１に入射する光ＬＬの通過を許容する開口部２０８ａが設けられている。
ここで、第２シールド２０８の構成材料としては、前述した第１シールド２０７と同様、熱伝導性に優れ、かつ、磁気シールド性を有する材料を用いることが好ましく、具体的には、鉄、コバール、パーマロイ、ステンレス鋼等の鉄系合金等を用いることが好ましい。これにより、外部磁場により第２シールド２０８内、特に原子セル２０１内の磁場が変動するのを低減することができる。
また、第２シールド２０８には、第１シールド２０７と熱的に接続されるヒーター２０３が設置されている。図示の構成では、ヒーター２０３は、第２シールド２０８に、第１シールド２０７と接触するように埋設されている。このヒーター２０３としては、原子セル２０１、より具体的には原子セル２０１内のアルカリ金属原子を加熱することができれば、特に限定されないが、例えば、発熱抵抗体を有する各種ヒーター、ペルチェ素子等が挙げられる。
また、第２シールド２０８の＋Ｚ側の外表面上には、温度制御素子２１２が設置されている。この温度制御素子２１２は、冷却および加熱を行って原子セル２０１の温度を制御する機能を有し、例えば、ペルチェ素子等で構成することができる。温度制御素子２１２は、第２シールド２０８の＋Ｚ軸側の壁部、スペーサー２０９を介して原子セル２０１と熱的に接続されている。
また、図４に示すように、第１シールド２０７の内側で、かつ、ブロック２０６ｂの近傍には、温度センサー２１３が設置されている。この温度センサー２１３は、第１部分２０１Ａの温度を検出する。そして、この検出結果に基づいて、温度制御回路５０１が温度制御素子２１２の作動を制御する。温度センサー２１３としては、ブロック２０６ｂの温度を検出することができれば、特に限定されないが、例えば、サーミスタ、熱電対等の公知の各種温度センサーが挙げられる。
（支持部材）
ここで、図２に戻り、支持部材４０は、板状をなし、その一方の面上には、前述した原子セルユニット２０および光学系ユニット３０が載置されている。この支持部材４０は、光学系ユニット３０のホルダー３０４の下面の形状に沿った設置面４０１を有する。この設置面４０１には、段差部４０２が形成されている。この段差部４０２は、ホルダー３０４の下面の段差部と係合して、ホルダー３０４が原子セルユニット２０側、すなわち、図２中右側へ移動するのを規制する。同様に、支持部材４０は、原子セルユニット２０の第２シールド２０８の下面の形状に沿った設置面４０３を有する。この設置面４０３には、段差部４０４が形成されている。この段差部４０４は、第２シールド２０８の端面、すなわち、図２中左側の端面と係合して、第２シールド２０８が光学系ユニット３０側、すなわち、図２中左側へ移動するのを規制する。
このように、支持部材４０により原子セルユニット２０および光学系ユニット３０の相対的な位置関係を規定することができる。そして、発光素子モジュール１０がホルダー３０４に対して固定されているため、原子セルユニット２０および光学系ユニット３０に対する発光素子モジュール１０の相対的な位置関係も規定されることとなる。ここで、第２シールド２０８およびホルダー３０４は、それぞれ、図示しないネジ等の固定部材により、支持部材４０に対して固定されている。また、支持部材４０は、図示しないネジ等の固定部材により、パッケージ６０に対して固定されている。また、支持部材４０は、例えば、アルミニウム等の金属材料で構成されており、放熱性を有する。これにより、発光素子モジュール１０の放熱を効率的に行うことができる。
（制御回路）
図３に示すように、制御回路５０は、回路基板５０５と、回路基板５０５上に設けられている２つのコネクター５０６ａ、５０６ｂと、コネクター５０６ａと発光素子モジュール１０とを接続しているフレキシブル配線基板５０８ａと、コネクター５０６ｂと原子セルユニット２０とを接続しているフレキシブル配線基板５０８ｂと、回路基板５０５を貫通している複数のリードピン５０９と、を有する。
ここで、回路基板５０５には、図示しない電気回路が設けられ、この電気回路が前述した温度制御回路５０１、光源制御回路５０２、磁場制御回路５０３および温度制御回路５０４として機能する。また、回路基板５０５は、前述した支持部材４０が挿通されている貫通孔５０５１を有する。また、回路基板５０５は、複数のリードピン５０９を介してパッケージ６０に対して支持されている。複数のリードピン５０９は、それぞれ、パッケージ６０の内外を貫通しており、回路基板５０５に電気的に接続されている。
なお、回路基板５０５と発光素子モジュール１０とを電気的に接続する構成、および、回路基板５０５と原子セルユニット２０とを電気的に接続する構成は、図示のコネクター５０６ａ、５０６ｂおよびフレキシブル配線基板５０８ａ、５０８ｂに限定されず、それぞれ、他の公知のコネクターおよび配線であってもよい。
また、回路基板５０５には、記憶部５１２が設けられている。記憶部５１２は、例えば、後述する検量線や、各種プログラムが記憶されている。
パッケージ６０は、前述した第１シールド２０７および第２シールド２０８と同様、コバール等の磁気シールド性を有する金属材料で構成されていることが好ましい。これにより、外部磁場が原子発振器１の特性に悪影響を与えるのを低減することができる。なお、パッケージ６０内は、減圧されていてもよいし、大気圧であってもよいが、気密空間であることが好ましい。
さて、前述したように、原子セル２０１の第１部分２０１Ａ内、すなわち、空間Ｓ２にはアルカリ金属原子が液体または固体として収容され、原子セル２０１の第２部分２０１Ｂ内、すなわち、空間Ｓ１にはアルカリ金属原子がガスとして収容されている。光ＬＬが通過する空間Ｓ１のガスの蒸気圧を可及的に一定に保つことにより、原子発振器１の周波数安定性を高くすることができる。
なお、原子セル２０１の第１部分２０１Ａは、第２部分２０１Ｂに比べて、原子発振器１の外部環境の温度の影響を受けやすい。これは、図４に示すように、ブロック２０６ｂとブロック２０６ａとの間の熱抵抗が大きいことで、第１部分２０１Ａにヒーター２０３の熱が伝わりにくいためである。局所的に原子セル２０１を冷却してアルカリ金属原子の余剰分を液体または固体として光ＬＬが通過しない部分に選択的に収容するということを考えるとこのような構成となる。
このような構造は、局所的に原子セル２０１を低温にしてアルカリ金属原子の余剰分を液体または固体として光ＬＬが通過しない部分に選択的に収容するためには効果的である。しかし、外部環境の温度変化によって、原子セル２０１の第１部分２０１Ａの温度が変動してしまうと、液体または固体のアルカリ金属原子の量が変動するおそれがある。この変動により、空間Ｓ１内のアルカリ金属原子のガスの量も変動し、結果的に、空間Ｓ１内の蒸気圧が変化してしまうおそれがある。
一方、従来のように、加熱する部分と、冷却する部分とに、それぞれ温度検出素子および温度制御素子を設け、温度制御素子に温度検出素子の検出結果をフィードバックするという制御を２か所で行うと、原子セルのサイズが小型であるほど、フィードバック制御が干渉し合うという現象が生じやすくなる。このため、原子セルの温度が安定せず、ガスの蒸気圧が変動してしまい、原子発振器の周波数安定性が悪化する。
原子発振器１では、上記課題を解決するのに有効な構成となっている。以下、このことについて、図６を参照しつつ説明するが、図６中では、細い矢印は、電気的な接続を意味し、太い白抜きの矢印は、熱的な接続を意味している。図６に示すように、本実施形態の原子発振器１では、第１部分２０１Ａの温度を検出する温度センサー２１３の検出結果が温度制御回路５０１に送信され、温度制御回路５０１が、その検出結果に基づいて、温度制御素子２１２およびヒーター２０３の作動を制御する構成となっている。すなわち、温度制御回路５０１が、１つの温度センサー２１３が検出した比較的温度が低い第１部分２０１Ａの温度に基づいて、第１部分２０１Ａの温度および第２部分２０１Ｂの温度の双方の調整を行う。これにより、上述した２つのフィードバック制御の干渉を防止することができる。よって、原子発振器１の周波数安定性を高めることができる。
特に、原子セル２０１は、一辺の長さが１ｍｍ以上１５ｍｍ以下程度の長さの六面体をなしており、比較的小さいため、１つの温度センサー２１３が検出した温度に基づく制御が有効である。また、第１部分２０１Ａの温度に基づいて原子セル２０１の温度を調整するという構成であるため、第２部分２０１Ｂの温度に基づいて原子セル２０１の温度を調整する構成に比べて、よりダイレクトに第１部分２０１Ａの飽和蒸気圧を調整できる。したがって、より精度よく空間Ｓ１のガスの蒸気圧を調整することができる。
次に、図７に示すフローチャートを用いて、温度制御回路５０１の制御動作について説明する。なお、以下では、原子発振器１が駆動した状態、すなわち、温度制御素子２１２およびヒーター２０３を作動させた状態から説明を始める。なお、温度制御素子２１２およびヒーター２０３は、初期状態から作動させると、原子セル２０１が目標温度となるように所定の通電条件で作動する。この通電条件は、予め記憶部５１２に記憶されている。
まず、ステップＳ１０１において、温度センサー２１３が温度を検出する。
次いで、この検出した温度Ｔｘが、所望の温度範囲であるＴ１以上Ｔ２以下の範囲内か否かを判断する。すなわち、ステップＳ１０２において、Ｔ１≦Ｔｘであるかを判断し、ステップＳ１０３において、Ｔｘ≦Ｔ２であるかを判断する。なお、Ｔ１およびＴ２は、予め記憶部５１２に記憶されている値である。また、ステップＳ１０２およびステップＳ１０３に代えて、温度Ｔｘが所定温度であるか否かを判断し、所定温度でない場合に所定温度に近づける制御を行ってもよい。
ステップＳ１０２において、Ｔ１≦Ｔｘであると判断した場合、ＹＥＳへ進み、ステップＳ１０３に移行する。ステップＳ１０２において、Ｔ１≦Ｔｘではない、すなわち、Ｔ１＞Ｔｘであると判断した場合、ＮＯへ進み、ステップＳ１０４において、原子セル２０１の第１部分２０１Ａの温度を高めるような制御を行う。具体的には、温度制御素子２１２への通電条件と、ヒーター２０３への通電条件とを変更するように温度制御素子２１２およびヒーター２０３への制御信号を変更してこれらに入力する。
温度制御素子２１２への制御信号は、検出結果である温度Ｔｘと、温度制御素子２１２の制御信号との関係を示す検量線Ｋ１に基づいて決定し温度制御素子２１２に入力される。一方、ヒーター２０３の制御信号は、検出結果である温度Ｔｘと、第２温度制御素子であるヒーター２０３の制御信号との関係を示す検量線Ｋ２に基づいて決定し、ヒーター２０３に入力される。これにより、外部環境の温度が変化したとしても原子セル２０１の所望の温度分布を維持することができる。すなわち、第１部分２０１Ａおよび第２部分２０１Ｂをそれぞれ所望の温度に維持することができる。この際、本実施形態では、１つの制御回路、すなわち、温度制御回路５０１で温度制御素子２１２およびヒーター２０３の制御を行うため、従来のようなフィードバック制御の干渉を防止することができる。
なお、上記検量線Ｋ１、Ｋ２は、予め記憶部５１２に記憶されているテーブルまたは関係式等であり、これらは、例えば実験的に求められた値とすることができる。
一方、ステップＳ１０３において、Ｔｘ≦Ｔ２であると判断した場合、後述するステップＳ１０６に移行する。ステップＳ１０３において、Ｔｘ≦Ｔ２ではない、すなわち、Ｔｘ＞Ｔ２であると判断した場合、ステップＳ１０５において、原子セル２０１の第１部分２０１Ａの温度を低下させるような制御を行う。具体的には、温度制御素子２１２への通電条件と、ヒーター２０３への通電条件とを変更するように温度制御素子２１２およびヒーター２０３への制御信号を変更してこれらに入力する。
温度制御素子２１２への制御信号は、ステップＳ１０４と同様に、検量線Ｋ１に基づいて決定し温度制御素子２１２に入力される。ヒーター２０３の制御信号は、ステップＳ１０４と同様に、検量線Ｋ２に基づいて決定し、ヒーター２０３に入力される。これにより、外部環境の温度が上昇したにも関わらず原子セル２０１の所望の温度分布を維持することができる。すなわち、第１部分２０１Ａおよび第２部分２０１Ｂをそれぞれ所望の温度に維持することができる。本ステップにおいても、ステップＳ１０４と同様に、１つの制御回路、すなわち、温度制御回路５０１で温度制御素子２１２およびヒーター２０３の制御を行うため、従来のようなフィードバック制御の干渉を防止することができる。
そして、ステップＳ１０６において、終了指示があったか否かを判断する。この判断は、例えば、図示しない電源が切られたか否かに基づいて行われる。ステップＳ１０６において、終了指示がないと判断した場合、ステップＳ１０１に戻り、以下のステップを順次繰り返す。
以上説明したように、原子発振器１は、第１部分２０１Ａと、第１部分２０１Ａとは異なる位置の第２部分２０１Ｂと、を有し、アルカリ金属原子が収容されている原子セル２０１と、アルカリ金属原子を励起する光ＬＬを原子セル２０１に向って出射する発光素子１０２と、第１部分２０１Ａの温度を検出する第１温度検出素子である温度センサー２１３と、温度センサー２１３の検出結果に基づいて、第１部分２０１Ａの温度を制御する第１温度制御素子である温度制御素子２１２と、第１部分２０１Ａと第２部分２０１Ｂとの間の熱抵抗以上の熱抵抗を有する部分に配置され、この部分の温度を検出する第２温度検出素子と、第２温度検出素子の検出結果、または温度制御素子２１２が行う温度制御の情報、すなわち、本実施形態では、第２温度検出素子の検出結果に基づいて、第２部分２０１Ｂの温度を第１部分２０１Ａの温度よりも高い温度に制御する第２温度制御素子であるヒーター２０３と、原子セル２０１を透過した光ＬＬを受光する受光素子２０２と、を含む。そして、第２温度制御素子は、本実施形態では、第１温度制御素子としての温度制御素子２１２である。すなわち、第１温度制御素子２１２は、第２温度制御素子を兼ねている。これにより、１つの温度制御回路５０１が比較的温度が低い第１部分２０１Ａの温度に基づいて、第１部分２０１Ａの温度および第２部分２０１Ｂの温度の双方の調整を行う。よって、従来生じるおそれがあった２つのフィードバック制御の干渉を防止することができる。よって、原子発振器１の周波数安定性を高めることができる。
また、前述したように、第１部分２０１Ａと第２部分２０１Ｂとは、熱的に分離されている。すなわち、第１部分２０１Ａと温度制御素子２１２との間の熱の経路と、第２部分２０１Ｂとヒーター２０３との間の熱の経路は、ブロック２０６ａおよびブロック２０６ｂによって分離されている。このような熱的に分離されている２か所をそれぞれ制御することにより、互いの温度制御をより正確に行うことができる。
なお、温度制御回路５０１がアナログ回路である場合は、検量線Ｋ１、Ｋ２に応じた特性の回路素子を用いることにより、上述した制御動作を実現することができる。また、図７に示す各ステップはこの順である必要はなく、少なくとも一部のステップの順序を入れ替えたり、同時に行うことも可能である。
＜第２実施形態＞
図８は、第２実施形態に係る原子発振器が備える原子セルユニットのＸＹ平面に沿った模式的な断面図であり、熱的な接続および電気的な接続を示す概略構成図である。
本実施形態は、制御部の制御動作が異なること以外は、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、本実施形態に関し、前述した第１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に示すように、本実施形態では、温度制御回路５０１が温度制御素子２１２に送信する通電条件の制御信号に基づいて、温度制御回路５０１がヒーター２０３に送信する通電条件の制御信号が決定するよう構成されている。具体的には、温度制御素子２１２に送信する通電条件と、ヒーター２０３に送信する通電条件との関係を示す検量線Ｋ３に基づいて決定された制御信号がヒーター２０３に送信される。この検量線Ｋ３は、予め記憶部５１２に記憶されているテーブルまたは関係式等であり、これらは、例えば実験的に求められた値とすることができる。本実施形態では、前記第１実施形態で述べたステップＳ１０４およびステップＳ１０５において、このような制御が行われる。
このように本実施形態では、第１温度制御素子である温度制御素子２１２が行う温度制御の情報と、第２温度制御素子であるヒーター２０３の制御信号との関係を示す検量線に基づいて決定された制御信号が第２温度制御素子である温度制御素子２１２に入力される。換言すれば、温度制御素子２１２への通電条件が決定するとヒーター２０３への通電条件も決定する。これにより、簡単な制御で前記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
＜第３実施形態＞
図９は、第３実施形態に係る原子発振器が備える原子セルユニットのＸＹ平面に沿った模式的な断面図であり、熱的な接続および電気的な接続を示す概略構成図である。
本実施形態は、制御部の制御動作が異なること以外は、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、本実施形態に関し、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。
図９に示すように、本実施形態では、原子発振器１は、第１シールド２０７の外側に配置された第２温度検出素子としての温度センサー２０４を有する。この温度センサー２０４は、温度センサー２１３と同様の構成とすることができる。また、温度センサー２０４の検出結果は、温度制御回路５０１に送信される。
また、温度センサー２１３は、第１シールド２０７の外側に配置されており、第１部分２０１Ａと第２部分２０１Ｂとの間の熱抵抗以上の熱抵抗を有する部分に配置されていると言うことができる。また、温度センサー２１３が検出する温度は、第１シールド２０７の外側ではあるが、第２部分２０１Ｂの近傍であり、また、ヒーター２０３が第１シールド２０７に接しているため、この検出結果を第２部分２０１Ｂの温度と見做すことができる。このように、第１温度検出素子である温度センサー２１３は、第１シールド２０７の内側に配置され、第２温度検出素子である温度センサー２０４は、第１シールド２０７の外側に配置されている。これにより、各温度センサー２１３、２０４を十分に熱的に遠ざけた状態とすることができ、従来生じるおそれがあった２つのフィードバック制御の干渉を低減することができる。
そして、本実施形態では、前記第１実施形態で述べたステップＳ１０４およびステップＳ１０５において、以下のような制御を行う。
温度制御回路５０１は、温度センサー２１３の検出結果に基づいて、温度制御素子２１２に送信する通電条件を、これらの関係を示す検量線Ｋ４に基づいて決定し、温度制御素子２１２に制御信号を送信する。さらに、温度制御回路５０１は、温度センサー２０４の検出結果に基づいて、ヒーター２０３に送信する通電条件を、これらの関係を示す検量線Ｋ５に基づいて決定し、ヒーター２０３に制御信号を送信する。この検量線Ｋ４、Ｋ５は、予め記憶部５１２に記憶されているテーブルまたは関係式等であり、これらは、例えば実験的に求められた値とすることができる。
ここで、前述したように、温度センサー２０４は、第１部分２０１Ａと第２部分２０１Ｂとの間の熱抵抗以上の熱抵抗を有する部分に配置されているため、温度センサー２０４が検出する部分の温度は、温度センサー２０４が例えば第２部分２０１Ｂに直接接続されている場合に比べて、第１部分２０１Ａの温度変化の影響を受けにくい。そのため、従来生じるおそれがあった２つのフィードバック制御の干渉を低減することができる。よって、原子発振器１の周波数安定性を高めることができる。
＜第４実施形態＞
図１０は、第４実施形態に係る原子発振器が備える原子セルユニットのＸＹ平面に沿った模式的な断面図であり、熱的な接続および電気的な接続を示す概略構成図である。
本実施形態は、制御部の制御動作が異なること以外は、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、本実施形態に関し、前述した第１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１０に示すように、本実施形態では、温度制御回路５０１は、温度制御素子２１２のみに通電条件の制御信号を送信する。一方で、ヒーター２０３は、一定の通電条件で作動するものである。すなわち、ヒーター２０３は、一定の出力値で加熱を行う構成であり、補助的な加熱を担っている。本実施形態では、前記第１実施形態で述べたステップＳ１０４およびステップＳ１０５において、以下のような制御が行われる。温度制御回路５０１が、温度センサー２１３の検出結果に基づいて、温度制御素子２１２に送信する通電条件を、これらの関係を示す検量線Ｋ６に基づいて決定し、温度制御素子２１２に制御信号を送信する。この検量線Ｋ６は、予め記憶部５１２に記憶されているテーブルまたは関係式等であり、これらは、例えば実験的に求められた値とすることができる。なお、この温度制御素子２１２へのフィードバック制御の間も、ヒーター２０３は、一定の通電条件で作動し続けている。
このように本実施形態では、原子発振器１は、第１部分２０１Ａと、第１部分２０１Ａとは異なる位置の第２部分２０１Ｂと、を有し、アルカリ金属原子が収容されている原子セル２０１と、アルカリ金属原子を励起する光ＬＬを原子セル２０１に向って出射する発光素子１０２と、第１部分２０１Ａの温度を検出する第１温度検出素子である温度センサー２１３と、温度センサー２１３の検出結果に基づいて、第１部分２０１Ａの温度を制御する第１温度制御素子としての温度制御素子２１２と、一定の出力値で第２部分２０１Ｂを第１部分２０１Ａの温度よりも高い温度に制御する第２温度制御素子としてのヒーター２０３と、原子セル２０１を透過した光ＬＬを受光する受光素子２０２と、を含む。これにより、１つの温度制御回路５０１が比較的温度が低い第１部分２０１Ａの温度に基づいて、第１部分２０１Ａの温度の調整を行う。また、ヒーター２０３は、一定の出力値で原子セル２０１を加熱する構成であるため、このヒーター２０３の加熱を加味して第１部分２０１Ａの温度の調整を行うことにより、第１部分２０１Ａおよび第２部分２０１Ｂをそれぞれ所望の温度に維持することができる。さらに、本実施形態では、１つの制御回路、すなわち、温度制御回路５０１で温度制御素子２１２の制御を行うため、従来のようなフィードバック制御の干渉を防止することができる。よって、原子発振器１の周波数安定性を高めることができる。
なお、ヒーター２０３の初期の出力値の決定は、予め定められた値であってもよく、温度センサー２０４の検出結果に応じて決定してもよく、温度センサー２１３の検出結果に応じて決定してもよい。また、本実施形態では、ヒーター２０３に対してフィードバック制御を行わない構成であるが、初期の出力値の決定および出力は、温度制御回路５０１が行ってもよく、図示しない他の制御回路が行ってもよい。
＜原子発振器適用例＞
以上説明したような原子発振器１は、各種の周波数信号生成システムに組み込むことができる。以下、そのような周波数信号生成システムの実施形態について説明する。
図１１は、ＧＰＳ（Global Positioning System）衛星を利用した測位システム、すなわち、周波数信号生成システムの一例の概略構成を示す図である。
図１１に示す測位システム１１００は、基地局装置１３００と、ＧＰＳ受信装置１４００とで構成されている。ここで、原子発振器１を搭載した電子機器を周波数信号生成システムと呼ぶこともできるし、原子発振器１を搭載した電子機器を含む複数の電子機器からなる各種システムを周波数信号生成システムと呼ぶこともできる。
ＧＰＳ衛星１２００は、測位用情報を含む衛星信号（ＧＰＳ信号）を送信する。
基地局装置１３００は、例えば電子基準点としてのＧＰＳ連続観測局に設置されたアンテナ１３０１を介してＧＰＳ衛星１２００からの衛星信号を受信する受信装置１３０２と、受信した衛星信号から受信装置１３０２が取得した測位情報をアンテナ１３０３を介して送信する送信装置１３０４とを備える。
ここで、受信装置１３０２は、その基準周波数発振源である原子発振器１と、原子発振器１からの周波数信号を処理する処理部１３０２ａと、を備える。また、受信装置１３０２で受信された測位情報は、リアルタイムで送信装置１３０４により送信される。
このように、周波数信号生成システムである受信装置１３０２は、原子発振器１を含む。このような受信装置１３０２によれば、原子発振器１の原子セル２０１周辺の温度勾配を低減することで、受信装置１３０２の特性を向上させることができる。また、上述した受信装置１３０２を含むことで、周波数信号生成システムの別の一例である測位システム１１００の特性を向上させることができる。
ＧＰＳ受信装置１４００は、ＧＰＳ衛星１２００からの測位情報をアンテナ１４０１を介して受信する衛星受信部１４０２と、基地局装置１３００からの測位情報をアンテナ１４０３を介して受信する基地局受信部１４０４とを備える。
以上のように、周波数信号生成システムの一例としての測位システム１１００の受信装置１３０２は、原子発振器１と、原子発振器１からの周波数信号を処理する処理部１３０２ａと、を備えている。
また、原子発振器１は、第１部分２０１Ａと、第１部分２０１Ａとは異なる位置の第２部分２０１Ｂと、を有し、アルカリ金属原子が収容されている原子セル２０１と、アルカリ金属原子を励起する光ＬＬを原子セル２０１に向って出射する発光素子１０２と、第１部分２０１Ａの温度を検出する第１温度検出素子である温度センサー２１３と、温度センサー２１３の検出結果に基づいて、第１部分２０１Ａの温度を制御する第１温度制御素子である温度制御素子２１２と、第１部分２０１Ａと第２部分２０１Ｂとの間の熱抵抗以上の熱抵抗を有する部分に配置され、この部分の温度を検出する第２温度検出素子と、第２温度検出素子の検出結果、または温度制御素子２１２が行う温度制御の情報、すなわち、本実施形態では、第２温度検出素子の検出結果に基づいて、第２部分２０１Ｂの温度を第１部分２０１Ａの温度よりも高い温度に制御する第２温度制御素子であるヒーター２０３と、原子セル２０１を透過した光ＬＬを受光する受光素子２０２と、を含む。
また、原子発振器１は、第４実施形態で述べたように、第１部分２０１Ａと、第１部分２０１Ａとは異なる位置の第２部分２０１Ｂと、を有し、アルカリ金属原子が収容されている原子セル２０１と、アルカリ金属原子を励起する光ＬＬを原子セル２０１に向って出射する発光素子１０２と、第１部分２０１Ａの温度を検出する第１温度検出素子である温度センサー２１３と、温度センサー２１３の検出結果に基づいて、第１部分２０１Ａの温度を制御する第１温度制御素子としての温度制御素子２１２と、一定の出力値で第２部分２０１Ｂを第１部分２０１Ａの温度よりも高い温度に制御する第２温度制御素子としてのヒーター２０３と、原子セル２０１を透過した光ＬＬを受光する受光素子２０２と、を含む構成とすることもできる。
このような発明によれば、前述した原子発振器１の利点を生かし、測位システム１１００および受信装置１３０２の特性を向上させることができる。
なお、周波数信号生成システムは、前述したものに限定されず、原子発振器１と、原子発振器１からの周波数信号を処理する処理部とを含むシステムであればよい。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（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）、魚群探知機、各種測定機器、計器類（例えば、車両、航空機、船舶の計器類）、フライトシミュレーター、地上デジタル放送、携帯電話基地局等に適用することができる。また、複数の電子機器等から構成される周波数信号生成システムは、原子発振器１からの信号を処理して信号を生成するシステムであればよく、前述したものに限定されず、例えば、クロック伝送システム等であってもよい。
以上、本発明の原子発振器および周波数信号生成システムを図示の実施形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、原子発振器および周波数信号生成システムを構成する各部は、同様の機能を発揮し得る任意の構成のものと置換することができる。また、任意の構成物が付加されていてもよい。
また、前述した実施形態では、量子干渉効果を利用した原子発振器に本発明を適用した場合を例に説明したが、本発明は、これに限定されず、二重共鳴現象を利用した原子発振器にも適用可能であり、この場合、光源としては、半導体レーザーに限定されず、例えば、発光ダイオード、アルカリ金属を封入したランプ等を用いることができる。
１…原子発振器、１０…発光素子モジュール、１０１…ペルチェ素子、１０２…発光素子、１０３…温度センサー、１０４…パッケージ、２０…原子セルユニット、２０１…原子セル、２０１Ａ…第１部分、２０１Ｂ…第２部分、２０１ａ…胴体部、２０１ｂ…窓部、２０１ｃ…窓部、２０２…受光素子、２０３…ヒーター、２０４…温度センサー、２０５…コイル、２０６…保持部材、２０６ａ…ブロック、２０６ｂ…ブロック、２０６ｃ…開口部、２０６ｄ…開口部、２０７…第１シールド、２０７ａ…開口部、２０７ｂ…部分、２０８…第２シールド、２０８ａ…開口部、２０９…スペーサー、２１０…伝熱部材、２１１…ネジ、２１２…温度制御素子、２１３…温度センサー、３０…光学系ユニット、３０１…減光フィルター、３０２…集光レンズ、３０３…１／４波長板、３０４…ホルダー、３０５…貫通孔、４０…支持部材、４０１…設置面、４０２…段差部、４０３…設置面、４０４…段差部、５０…制御回路、５０１…温度制御回路、５０２…光源制御回路、５０３…磁場制御回路、５０４…温度制御回路、５０５…回路基板、５０５１…貫通孔、５０６ａ…コネクター、５０６ｂ…コネクター、５０８ａ…フレキシブル配線基板、５０８ｂ…フレキシブル配線基板、５０９…リードピン、５１０…配線、５１２…記憶部、６０…パッケージ、１１００…測位システム、１２００…ＧＰＳ衛星、１３００…基地局装置、１３０１…アンテナ、１３０２…受信装置、１３０２ａ…処理部、１３０３…アンテナ、１３０４…送信装置、１４００…ＧＰＳ受信装置、１４０１…アンテナ、１４０２…衛星受信部、１４０３…アンテナ、１４０４…基地局受信部、ＬＬ…光、Ｓ…内部空間、Ｓ１…空間、Ｓ２…空間、Ｔｘ…温度、ａ…光軸

Claims (8)

  1. 第１部分と、前記第１部分とは異なる位置の第２部分と、を有し、アルカリ金属原子が収容されている原子セルと、
    前記アルカリ金属原子を励起する光を前記原子セルに向って出射する発光素子と、
    前記第１部分の温度を検出する第１温度検出素子と、
    前記第１温度検出素子の検出結果に基づいて、前記第１部分の温度を制御する第１温度制御素子と、
    前記第１部分と前記第２部分との間の熱抵抗以上の熱抵抗を有する部分に配置され、前記部分の温度を検出する第２温度検出素子と、
    前記第２温度検出素子の検出結果、または前記第１温度制御素子が行う温度制御の情報に基づいて、前記第２部分の温度を前記第１部分の温度よりも高い温度に制御する第２温度制御素子と、
    前記原子セルを透過した光を受光する受光素子と、を含む、原子発振器。
  2. 前記検出結果と、前記第２温度制御素子の制御信号との関係を示す検量線に基づいて決定された制御信号が前記第２温度制御素子に入力される、請求項１に記載の原子発振器。
  3. 前記第１温度制御素子が行う温度制御の情報と、前記第２温度制御素子の制御信号との関係を示す検量線に基づいて決定された制御信号が前記第２温度制御素子に入力される、請求項１に記載の原子発振器。
  4. 前記第２温度制御素子は、前記第１温度制御素子である、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の原子発振器。
  5. 磁気シールド性を有し、前記原子セルを収容するシールドを含み、
    前記第１温度検出素子は、前記シールドの内側に配置され、前記第２温度検出素子は、前記シールドの外側に配置されている、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の原子発振器。
  6. 第１部分と、前記第１部分とは異なる位置の第２部分と、を有し、アルカリ金属原子が収容されている原子セルと、
    前記アルカリ金属原子を励起する光を前記原子セルに向って出射する発光素子と、
    前記第１部分の温度を検出する第１温度検出素子と、
    前記第１温度検出素子の検出結果に基づいて、前記第１部分の温度を制御する第１温度制御素子と、
    一定の出力値で前記第２部分を前記第１部分の温度よりも高い温度に制御する第２温度制御素子と、
    前記原子セルを透過した光を受光する受光素子と、を含む、原子発振器。
  7. 原子発振器と、
    前記原子発振器からの周波数信号を処理する処理部と、を備え、
    前記原子発振器は、第１部分と、前記第１部分とは異なる位置の第２部分と、を有し、アルカリ金属原子が収容されている原子セルと、
    前記アルカリ金属原子を励起する光を前記原子セルに向って出射する発光素子と、
    前記第１部分の温度を検出する第１温度検出素子と、
    前記第１温度検出素子の検出結果に基づいて、前記第１部分の温度を制御する第１温度制御素子と、
    前記第１部分と前記第２部分との間の熱抵抗以上の熱抵抗を有する部分に配置され、前記部分の温度を検出する第２温度検出素子と、
    前記第２温度検出素子の検出結果、または前記第１温度制御素子が行う温度制御の情報に基づいて、前記第２部分の温度を前記第１部分の温度よりも高い温度に制御する第２温度制御素子と、
    前記原子セルを透過した光を受光する受光素子と、を含む、周波数信号生成システム。
  8. 原子発振器と、
    前記原子発振器からの周波数信号を処理する処理部と、を備え、
    前記原子発振器は、第１部分と、前記第１部分とは異なる位置の第２部分と、を有し、アルカリ金属原子が収容されている原子セルと、
    前記アルカリ金属原子を励起する光を前記原子セルに向って出射する発光素子と、
    前記第１部分の温度を検出する第１温度検出素子と、
    前記第１温度検出素子の検出結果に基づいて、前記第１部分の温度を制御する第１温度制御素子と、
    一定の出力値で前記第２部分を前記第１部分の温度よりも高い温度に制御する第２温度制御素子と、
    前記原子セルを透過した光を受光する受光素子と、を含む、周波数信号生成システム。
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