JP2995131B2 - 空胴共振器の高安定共振周波数制御装置 - Google Patents

空胴共振器の高安定共振周波数制御装置

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JP2995131B2 JP5151327A JP15132793A JP2995131B2 JP 2995131 B2 JP2995131 B2 JP 2995131B2 JP 5151327 A JP5151327 A JP 5151327A JP 15132793 A JP15132793 A JP 15132793A JP 2995131 B2 JP2995131 B2 JP 2995131B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は水素メーザ原子周波数標
準器に用いられる空胴共振器の高安定共振周波数制御装
置に係り、特に共振周波数偏差検出手段により得られた
共振周波数の偏差信号を基に共振周波数の電子制御系の
制御信号と空胴共振器の温度制御系の制御信号とにそれ
ぞれの時定数に応じた補正制御信号を加えることにより
空胴共振器の共振周波数を短期的にも長期的にも精度高
く安定に制御する空胴共振器の共振周波数制御装置に関
する。
【0002】
【従来の技術】高い周波数安定度が得られる水素メーザ
原子周波数標準器の欠点はメーザ発振周波数(fm)が空胴
共振器の共振周波数(fc)によって若干ながら影響を受け
ることである。その関係は次式による。 fm−fo=(Qc/Ql) (fc −fo) ここで fo: 水素原子固有の共鳴周波数 Qc: 空胴共振器のQ値 Ql: 共鳴線のQ値 そこで共振周波数(fc)を常に水素原子固有の共鳴周波数
(fo)に一致させるべく空胴共振器の共振周波数制御装置
を設けている。
【0003】水素メーザ原子周波数標準器における空胴
共振器の共振周波数制御法としては、水素圧クエンチン
グ法や共振周波数センシング法などが知られているが、
いずれの制御法も共振周波数の偏位量 (Δfc=fc−fo)
に比例した偏差信号により、空胴共振器の温度または空
胴共振器に結合した電子制御素子のバイアス電圧を制御
することで、共振周波数(fc)を制御している。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】水素圧クエンチング法
は水素ビーム量を増減させて、前記Δfcを検出している
ため精度よく偏差信号を得るには検出時間が長くかか
る。その上、水素メーザ発振電力が変化するため周波数
安定度が損なわれる。また同等性能以上の高安定な外部
参照信号が別途必要な上に、制御系がオープンループで
あるため制御に遅延が生ずる、等の問題がある。
【0005】共振周波数センシング法は空胴共振器に入
力結合手段を通して共振周波数センシング信号発生器か
らのセンシング周波数 (fd±Δf)を入力し、共振周波数
偏差検出信号を出力用結合手段より取り出し、共振周波
数偏差量に見合った制御信号で電子制御素子を制御す
る。この方法はクローズドループの制御系であるため実
時間制御が可能である。
【0006】しかし、前述の水素圧クエンチング法もそ
うであるが、この共振周波数センシング法も共振周波数
偏差検出信号は微弱で雑音が混入し易く、制御信号に誤
差を含み易い、また、電子制御系による制御は時定数が
短いので、誤差を含んだ制御信号によって不要の変動を
生じ易い、等の欠点を持つ。また他の制御方法として温
度制御系による制御があるが、空胴共振器の温度制御系
による制御は一般に時定数が長くこの系の制御のみでは
必要とする共振周波数の修正制御に遅れを生ずる。特に
堅牢構造を目的とした金属製空胴共振器を使用した場合
は、必要とする周波数安定度を得るには短期間の共振器
温度変動も1×10-5℃以下に抑える必要があるので対応
できない。
【0007】本発明は空胴共振器の共振周波数制御装置
におけるかかる欠点を以下の手段により解消することに
よって、空胴共振器の共振周波数を短期から長期に亘り
精度高く制御できる空胴共振器の高安定共振周波数制御
装置を提供しようとするものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明では、電子制御系と温度制御系とを備え、補
正制御信号発生器を設け、共振周波数センシング法によ
り得られた偏差信号を基に、電子制御系と温度制御系そ
れぞれの時定数に応じた補正制御信号を生成して各系の
制御信号に加えることとした。特に、共振周波数の電子
制御系の時定数の短い特徴と空胴共振器の温度制御系の
時定数の長い特徴とを組み合わせて、短期間から長期間
に亘り、空胴共振器の共振周波数を精度高く制御するよ
うにした。また、補正制御信号発生器において、偏差検
出値を空胴共振器の温度制御系の時定数時間で平均化し
た制御値、または、時定数時間何周期分か将来の推測制
御値を発生させ、その補正制御信号を空胴共振器の温度
制御に加算して、共振周波数の長期間の高確度と高安定
度を得るようにした。
【0009】
【作用】以下図1に基づいて本発明の作用について説明
する。水素メーザ原子周波数標準器において、空胴共振
器1の共振周波数偏差検出手段5から得られる偏差信号
を基に、図1に示す如く補正制御信号発生器10にて2つ
の補正制御信号を発生する。一方は空胴共振器の電子制
御手段の短い時定数に見合った時間τe の間の偏差分を
τe で平均化し、これを基に振幅Ae 、時間τe の電子
制御信号を発生せしめ、空胴共振器の電子制御手段を制
御する。他方、空胴共振器の温度制御手段の長い時定数
に見合った時間τt の間の偏差分をτt で平均化し、こ
れを基に振幅At 、時間τt の温度制御信号を発生せし
め空胴共振器の温度制御手段を制御する。上記2つの制
御手段によって制御される空胴共振器は共振周波数の短
期の速い変動については電子制御手段による、長期に亘
るゆっくりとした変動については、主として、温度制御
手段による制御によって、短期から長期に亘り精度よく
共振周波数を水素原子固有の共鳴周波数に等しくなるよ
う維持する。
【0010】
【実施例】図1及び図2により本発明の一実施例につい
て詳細に説明する。メーザ発振用の空胴共振器1は、共
振周波数制御用素子3aを含む入力用結合手段3、出力用
結合手段4、感温素子7、及び加熱用ヒータ9を備えて
いる。前記空胴共振器1の共振周波数の電子制御系は、
共振周波数センシング信号発生器2、共振周波数制御用
素子3aを含む入力用結合手段3、出力用結合手段4、共
振周波数偏差検出手段5、及び電子制御手段6で構成さ
れる。前記空胴共振器1の温度制御系は、感温素子7、
温度制御手段8、及び加熱用ヒータ9で構成される。
【0011】この2つの制御系に補正制御信号発生器10
の出力がそれぞれ加算される。前記補正制御信号発生器
10は、図2に示すように、2系統の積算器11,11'、複数
の記録器12a,12b,・・・、12a',12b',・・・、複数の差
分記録器13a,13b,・・・、13a',13b',・・・、推測制御
器14,14'及びそれぞれの制御系時定数に見合ったクロッ
クを発生するクロック発生器15,15'で構成される。
【0012】ここで、空胴共振器1は堅牢構造とするた
め、金属或いは内面を導体化した絶縁物(例えば石英ガ
ラス)で構成される。必然的に熱容量が大となり温度制
御のみでは制御応答特性は劣化する。しかし、大きな熱
容量を有することは短期間での温度変動が抑えられるこ
とになり、それによって共振周波数の偏差検出時間を延
ばすことが可能となり、また、検出される偏差信号の誤
差は積分効果によって減少する。
【0013】前記電子制御系は、以下のように機能す
る。共振周波数センシング信号発生器2は、所望の共振
周波数fd(≒f0)の両側に同一振幅で、相等しくΔf 離
れた2周波fd−Δf 、fd+Δf を或一定周期で交互に切
り換えて発振し、共振周波数センシング信号とする。該
共振周波数センシング信号を入力用結合手段3を介して
空胴共振器1へ注入する。空胴共振器1は入力用結合手
段3から出力用結合手段4への通過型の周波数弁別器と
して働き、水素原子の共鳴周波数からの空胴共振器1の
共振周波数の離調に応じて、空胴共振器1のQ曲線によ
って振幅差を生じた(すなわち、周波数シフト変調され
た)共振周波数センシング信号は、出力用結合手段4に
よって空胴共振器1から取り出される。
【0014】共振周波数の離調情報を含んだ該共振周波
数センシング信号は、共振周波数偏差検出手段5によっ
て共振周波数センシング信号発生器2からの参照信号を
基にして同期検波され、離調情報分のみが取り出され
る。検出された離調情報信号は電子制御手段6及び前記
補正制御信号発生器10へ出力される。電子制御手段6で
補正制御信号発生器10からの短周期変動を補正する補正
制御信号と加え合わされ、共振周波数の離調を修正する
制御電圧として共振周波数制御用素子3aに加えられる。
その結果、空胴共振器1の共振周波数を所望の周波数に
維持する。
【0015】一方、温度制御系は以下のように機能す
る。空胴共振器1の温度を感温素子7で検出し、温度制
御手段8の入力信号とする。温度制御手段8は予め設定
した設定温度に相当する信号と該入力信号とを比較しそ
の誤差修正分に、前記補正制御信号発生器10の長周期変
動を補正する補正制御信号を加え合わせて加熱ヒータ9
を制御し、前記空胴共振器1の温度を設定温度に保つよ
うに制御する。
【0016】ここで、補正制御信号発生器10について説
明する。補正制御信号発生器10は、共振周波数偏差検出
手段5の出力を取り込み、以下のように機能する。電子
制御系に帰還する一方の系統は、電子制御系の短い時定
数τe (数秒以下)に見合ったクロックを発生するクロ
ック発生器15のクロックを受け、各クロック間の共振周
波数変動分に相当する電圧変化を積算器11で積算し、次
のクロックを受けて積算値を次の記録器12a へ転送す
る。記録器12a の以前の記録内容は同クロックを受けて
記録器12b へ転送される。出力し終えた積算器は一旦積
算値を0にリセットし、次のクロックまでの間、再び入
力値を積算する動作を繰り返す。かようにして積算器11
と複数の記録器12a,12b,・・・は短周期のクロック(≒
τe )で駆動されるシフトレジスタとして動作する。こ
の時点で離調情報信号中に含まれるクロックより速い周
期の雑音成分は除去され、より制御精度が増す。
【0017】また、複数個の差分記録器13a,13b,・・・
も同じクロックを受けて動作し、積算器11の出力値と1
段目記録器12a の値、1段目記録器12a の値と2段目記
録器12b の値、以下同様にして相隣れる記録器の値の差
を同じ各クロック毎に記録する。つまり、クロック毎の
変動分(移動平均値)が記録される。そして、推測制御
器14は複数個の差分記録器の値の差を検出し、その変動
程度に応じて(例えば微係数に比例するよう)補正制御
信号出力振幅Ae を可変する。このようにして、短時間
内に相隣れる複数個の差分記録器から得られる偏差値が
少なくとも数クロックの間はゼロ推移するような補正制
御信号を出力し、電子制御手段6に加算し、共振周波数
制御用素子3aを制御する。
【0018】一方、温度制御系に帰還する他の一系統は
温度制御系の長い時定数τt (数100 秒以上)に見合っ
たクロックを発生するクロック発生器15' のクロックを
受け、各クロック間の共振周波数変動分に相当する電圧
変化を積算器11' で積算し、次のクロックを受けて積算
器出力値を次の記録器12a'へ転送する。記録器12a'の以
前の記録内容は同クロックを受けて記録器12b'へ転送さ
れる。出力し終えた積算器は一旦積算値を0にリセット
し、次のクロックまでの間、再び入力値を積算する動作
を繰り返す。かようにして積算器11' と複数の記録器12
a',12b',・・・は長周期のクロック(≒τt )で駆動さ
れるシフトレジスタとして動作する。
【0019】また、複数個の差分記録器13a',13b',・・
・も同じクロックを受けて動作し、積算器11' の出力値
と1段目記録器12a'の値、1段目記録器12a'の値と2段
目記録器12b'の値、以下同様にして相隣れる記録器の値
の差を同じ各クロック毎に記録する。つまり、クロック
毎の変動分(移動平均値)が記録される。そして、推測
制御器14' は複数個の差分記録器の値の差を検出し、そ
の変動程度に応じて(例えば微係数に比例するよう)補
正制御信号出力振幅At を可変する。また複数個の差分
記録器から得られる偏差値を直線近似し、1クロック先
の推測偏差値を得て短時間内にゼロ推移するよう推測制
御をさせる補正制御信号(移動平均値または推測偏差
値)を発生し温度制御手段8の出力段へ帰還して、温度
制御系本来の出力に加算し、空胴共振器1の温度を所望
の設定温度に保つよう制御する。
【0020】
【発明の効果】本発明によれば、電子制御系と温度制御
系とを備え、補正制御信号発生器を設けて、共振周波数
の偏差程度を示す偏差信号を基に、電子制御系と温度制
御系のそれぞれに対して補正制御信号を生成して出力
し、共振周波数の短期の変動に対しては電子制御系の制
御が支配的となり、長期の変動に対しては温度制御系の
制御が支配的となるように制御することとしたから、短
期から長期に亘り、空胴共振器の共振周波数を安定して
維持できる。また、前記補正制御信号発生器は、その時
点までの変動の経過から、それ以後の変動を推測して、
補正制御信号を発生するので、共振周波数に変動があっ
ても速やかに所定の値に安定化される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による空胴共振器の高安定共振周波数制
御装置を示すブロック図である。
【図2】本発明の空胴共振器の高安定共振周波数制御装
置の一部である制御信号分配器10の詳細を示すブロック
図である。
【符号の説明】
1 空胴共振器 2 共振周波数センシング信号発生器 3 入力用結合手段 3a共振周波数制御用素子 4 出力用結合手段 5 共振周波数偏差検出手段 6 電子制御手段 7 感温素子 8 温度制御手段 9 加熱用ヒータ 10 補正制御信号発生器 11 積算器 12a記録器 13a差分記録器 14 推測制御器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H03L 7/26 H01S 1/00 H01S 1/06

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 熱により収縮または膨張する材料で作ら
    れた空胴共振器(1)と、該空胴共振器に設けられた加
    熱用ヒータ(9)と、前記空胴共振器の温度変化を感知
    する感温素子(7)と、前記空胴共振器から共振周波数
    偏差検出信号を取り出す出力用結合手段(4)と、該出
    力用結合手段で取り出された共振周波数偏差検出信号と
    前記空胴共振器の共振周波数の設定基準値とから共振周
    波数の偏差値を求め偏差信号を出力する共振周波数偏差
    検出手段(5)と、該共振周波数偏差検出手段によって
    出力された共振周波数の偏差程度を示す偏差信号を基に
    第1および第2の補正制御信号を出力する補正制御信号
    発生器(10)と、前記偏差信号及び第1の補正制御信号
    を受けて前記空胴共振器の共振周波数を制御する電子制
    御手段(6)と、前記空胴共振器の共振周波数をセンシ
    ングするための共振周波数センシング信号を発生する共
    振周波数センシング信号発生器(2)と、該共振周波数
    センシング信号と前記電子制御手段から出力される電子
    制御信号とをあわせて前記空胴共振器に入力する入力用
    結合手段(3)と、前記第2の制御信号と前記感温素子
    からの信号とを受けて前記加熱用ヒータの電力を制御す
    る温度制御手段(8)とを備えた空胴共振器の高安定共
    振周波数制御装置。
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