JP4591298B2 - ルビジウム原子発振回路用のランプ励振器 - Google Patents

Description

本発明は、ルビジウム原子発振器に用いられるルビジウムランプ励振回路に関し、特に、小型でランプの点灯・発光持続動作が安定した優れた特性を有するルビジウムランプ励振回路に関する。

従来、周波数標準に用いるルビジウム原子発振器において、ルビジウム原子の励起用光源として用いられるルビジウムランプは、ランプ内のルビジウムガスを高周波信号による電磁誘導によって無電極放電させ、発光させている。
図３は、従来のランプ励振器の一例を示す回路構成図である。同図に示されるように、本ランプ励振器１０におけるルビジウムランプＬＰ２は、中空のガラス体に励振コイルＬ５が巻かれて、図示しないヒーターと温度制御回路１１によって所定の温度に制御された熱筒１２に収容される。
前記励振コイルＬ５は、発振用トランジスタＱ１、トリマコンデンサＣ１、コンデンサＣ２、Ｃ３及びコイルＬ３とともにコルピッツ型のＬＣ発振回路を構成する。抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４及びコイルＬ２は、発振用トランジスタＱ１のバイアス回路を構成し、コンデンサＣ４、コイルＬ４は直流電源Ｖｃｃのノイズ除去回路を構成する。
さらに、トランスＴ１は、ルビジウムランプＬＰ２のガラス体上に設けられた電極Ａ、Ｂ間に供給する高圧パルスを生成する。

前記ランプ励振器１０を構成する発振回路は、一般的なコルピッツ型のＬＣ発振回路であって、その回路動作の説明は省略する。
このランプ励振器１０は、前記発振回路で生成される高周波エネルギーを励振コイルＬ５を介してルビジウムランプＬＰ２に供給することによって該ルビジウムランプＬＰ２を点灯し、発光を維持するものである。
しかし、高周波の磁界を励振コイルＬ５を介してルビジウムランプＬＰ２に供給するだけではランプは点灯しにくいため、前記ルビジウムランプＬＰ２には、融点がおよそ３８℃のルビジウム原子とともにランプ点灯を容易にするためのクリプトンガス等のキャリアガスが封入されるのが一般的である。

図４は、従来のルビジウムランプの構造例を示す模式図である。同図に示されるように、前記ルビジウムランプＬＰ２は、出力光窓１２ａを備えた熱筒１２に、ブラケット１２ｂで固定されて収容され、前記出力光窓側部分に励振コイルＬ５が巻かれるとともに、前記出力光窓側の反対側部分に昇圧トランスＴ１に接続された被覆導線をブラケット１２ｂに固定し、その導線先端部をスパーク電極Ａとし、前記ブラケット１２ｂをスパーク電極Ｂ（接地）とする構造となっている。
なお、熱筒１２を加熱して所定の温度となるよう制御するヒーターと温度制御回路１１の図示は省略する。

図４に示すように、外部から供給される高圧パルスＶＨをトランスＴ１によって昇圧して更に高電圧パルスを生成し、この高電圧パルスがルビジウムランプＬＰ２に設けられた電極Ａと接地電極Ｂ（ブラケット）間に印加されてスパークを発生させ、この時の高電界によってキャリアガス（クリプトンガス）を放電させ、その熱によって溶融、気化したルビジウム原子を点灯（放電を開始）させる。
ルビジウムランプＬＰ２点灯後は、前記発振回路による高周波の磁界を励振コイルＬ５を介して供給することによって、その発光を持続（放電を維持）させる。
特開平１−１５８７８５公報 特許第３１４２２９６号公報

前記ルビジウムランプＬＰ２に封入されたルビジウム原子は、ランプ内で固体状態から液化、気化を繰り返す過程でランプのガラス体に吸収される性質があることが知られており、この経年変化によるルビジウム原子の減少を補充するために、必要量より多めのルビジウム原子が封入される。
このように必要量以上のルビジウム原子が加熱されて飽和蒸気の状態にあるとき、ランプに低温度部分が有ると、その部分にルビジウム原子が再凝縮してランプガラス内壁に付着することになる。
特に、ルビジウムランプＬＰ２の前記出力光窓側の部分にルビジウム原子が付着すると、ルビジウムランプＬＰ２がルビジウム原子発振器のガスセルに向けて出射した励起光を遮ることになって、該励起光の強度が低下する。この励起光の強度が低下すると、ルビジウム原子発振器のガスセルにおいて光・マイクロ波共鳴信号の強度が低下するので、ルビジウム原子発振器の周波数制御が不安定になるという問題があった。

そこで、この問題を解決するため、ルビジウムランプの出力光窓側近辺に加熱手段を備えるとともに、ランプの出力光窓側の反対側に放熱部材を固着する手段を用いた技術が、特開平１−１５８７８５公報に開示されている。
この手段によれば、ランプの出力光窓側の反対側が、相対的に出力光窓側より低温度になるので、ルビジウムガスの放電中に出力光窓側の部分にルビジウム原子が再凝縮して付着するおそれがなく、励起光の出力強度の低下を防止することができる。
しかしながら、先述のように経年変化を見込んでルビジウム原子をランプに多めに封入すると、ランプの出力光窓側の反対側に再凝縮したルビジウム原子がランプの出力光窓側の方向へ向かって垂れてくることが知られている。この出力光窓側の方向へ移動したルビジウム原子が励振コイルに接近してくると、該励振コイルのＱを低下させて発振回路の発振強度が低下し、励起光の出力強度が低下するとともに、ルビジウムガスを再点灯させることができなくなるという問題があった。

さらに、従来のランプ励振器においては、放電を開始させるために、図３、４に示すように、ルビジウムランプＬＰ２の電極Ａ、Ｂ間に高電圧のスパークを起こさせるための回路が必要となり、この回路には外部から供給されるパルス電圧ＨＶを昇圧するトランスＴ１など大型部品を必要とするとともに、前記パルス電圧ＨＶを発生させる外部回路を必要とするためランプ励振器１０あるいはルビジウム原子発振器の小型化が困難であるという問題があった。

また、特許第３１４２２９６号公報に開示されているランプ発振器においては、トランジスタ発振回路は、ランプの点灯に充分な第１の直流電流とランプ点灯後にはその点灯を維持するための前記第１の直流電流よりレベルが低い第２の直流電流とを発生する可変直流負荷回路を備え、ランプ出力光を検出し、該検出電圧によって前記可変直流負荷回路を制御してランプを点灯・維持し、さらに、発振用トランジスタの励振出力端の直流電圧を、フィードバック回路と位相シフト回路によって、一定に保つようにして、温度変化、発振回路出力の変動等によって生じる励振出力のブロッキング振動を抑圧するようにしている。
しかしながら、上記手段においても、回路構成が複雑であって、小型化、低価格化を進めることが困難となっていた。
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであって、簡単な回路構成で、ランプの点灯・発光持続動作が安定した優れた特性を有するルビジウム原子発振器用のランプ励振器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本願発明は、中空を有するガラス体と、前記中空内に封入したルビジウム原子とを有するルビジウムランプと、前記ルビジウムランプに電磁界を供給する為の励振コイルと、前記励振コイルが前記ガラス体をコアにして巻きつけられた構成と、を有するルビジウム原子発振回路用のランプ励振器であって、前記中空の形状が前記ルビジウムランプの発光面の位置とは異なる所に液化した状態のルビジウム原子を溜めるための凹みを有し、前記励振コイルの２つの端のうち高周波電圧の高い側となる端側を前記発光面側に配置すると共に、前記凹み部分を前記励振コイルの他方の端側に配置したことを特徴とする。
また、本願発明は、前記ランプ励振器が、前記励振コイルとコンデンサとを有する共振回路と発振用トランジスタとを備えたＬＣ発振回路と、前記発振用トランジスタのバイアス回路に印加する電圧を制御する為の電圧制御回路と、を備えたものであり、前記電圧制御回路が、バッファアンプと、リレーと、前記リレーと並列に接続した抵抗とを有し、前記リレーが、前記バイアス回路に導通した端子と直流電源に導通した端子との間を開閉制御可能な導通路を有し、前記導通路が、前記バッファアンプが出力する駆動電流によって開閉制御されるものであり、前記ルビジウムランプの発光に伴い検出電圧を出力するランプ点灯光検出回路の出力端子と前記バッファアンプの入力端子とを導通接続した構成を有することを特徴とする。

更に本願発明は、前記凹み部分を形成するガラス体の部分の外面と、前記ルビジウムランプを収容するケースの壁面とを熱伝導性接着剤によって固着したことを特徴とする。

本発明のルビジウム原子発振器用のランプ励振器においては、上述のように、ルビジウムランプにチップ部を設け、該ルビジウムランプを励振する励振コイルのＨｏｔ Ｅｎｄの面と前記ルビジウムランプの発光面とが一致するように、且つ、励振コイルの巻き線を前記チップ部を除くランプの全域に亘って巻くように構成するとともに、チップ部をルビジウムランプを収容する熱筒の壁面に密着するように固定した。
その結果、ルビジウムランプが点灯中あるいはランプ励振器を電源断としたときに飽和蒸気の状態のルビジウム原子は、チップ部に再凝縮するので、液化状態のルビジウム原子が励振コイルの方向に移動して、該励振コイルの性能を低下させてルビジウムランプの出力光の強度を不安定にしたり、ルビジウムランプの点灯不能の状態になることを防止できる。

さらに、前記ランプ励振器のＬＣ発振回路に供給するルビジウムランプ点灯中の電源電圧を、ルビジウムランプの点灯光の検出信号に基づいて、前記ＬＣ発振回路の電源電圧供給回路に直列に挿入された抵抗によって分圧し低減して供給するように構成した。
その結果、ルビジウムランプを点灯させるための高電圧スパーク回路を用いることなく、ランプを点灯させることができる。また、点灯中も、安定した低電位の電源電圧を供給することによって、ルビジウムガスとキャリアガスとの交互の発光によるブロッキング振動を防止して安定した発光を持続できる。
したがって、本発明によれば、小型で低価格、高安定なルビジウム原子発振器用のランプ励振器を実現する上で著しい効果を発揮する。

本発明を図面に示した実施の形態に基づいて説明する。図１は、本発明に係わるランプ励振器の実施の一形態例を示す構成概要図である。
同図に示されるように、本ランプ励振器１００は、発振用トランジスタＱ１、図示しないヒーター及び温度制御回路１１によって所定の温度に制御された熱筒１２に収容されたルビジウムランプＬＰ１に巻かれた励振コイルＬ１、トリマコンデンサＣ１、コンデンサＣ２、Ｃ３及びコイルＬ３から成るコルピッツ型のＬＣ発振回路１３と、バッファアンプＩＣ１、リレーＲＬ１及び抵抗Ｒ５から成る電圧制御回路１４と、で構成される。抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４及びＬ２は、発振用トランジスタＱ１のバイアス回路を構成し、コンデンサＣ４、Ｃ５、Ｃ６、及びコイルＬ４は直流電源Ｖｃｃのノイズ除去のための部品で有り、また、抵抗Ｒ６は、前記リレーＲＬ１の電流制限用抵抗である。

そして、前記ＬＣ発振回路１３の各構成部位は、励振コイルＬ１及びルビジウムランプＬＰ１を除いて、発振用トランジスタＱ１、温度制御回路１１、熱筒１２、トリマコンデンサＣ１、コンデンサＣ２、Ｃ３、Ｃ４、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４及びコイルＬ２、Ｌ３は、図４に示したものと同一の構成、機能を有する。
したがって、従来のものと同一の符号を有する各構成部位の機能・動作の説明は省略する。

前記電圧制御回路１４は次のように動作する。同図に示されるように、直流電源Ｖｃｃは、コイルＬ４、抵抗Ｒ５を経る経路、あるいはコイルＬ４、リレーＲＬ１の常時閉路接点（ａ−ｂ）を経る経路の２通りの経路でＬＣ発振回路１３へ供給される。
また、前記リレーＲＬ１のリレー駆動回路端（ｃ−ｄ）には、該リレーＲＬ１を駆動する電流を供給するバッファアンプＩＣ１と電流制限用抵抗Ｒ６とが接続され、前記バッファアンプＩＣ１には図示しないランプ点灯光検出回路から検出信号が入力される。

まず、本ランプ励振器１００が動作を開始して前記ルビジウムランプＬＰ１が非点灯の状態を考える。電源電圧ＶｃｃがコイルＬ４、リレーＲＬ１の常時閉路接点（ａ−ｂ）を介して、ＬＣ発振回路１３に供給されると、ＬＣ発振回路１３は発振を起動する。この結果、励振コイルＬ１がルビジウムランプＬＰ１を励振するのでルビジウムランプＬＰ１が点灯する。

次に、ルビジウムランプＬＰ１が点灯した状態を考える。ルビジウムランプＬＰ１が点灯すると、前記ランプ点灯光検出回路はルビジウムランプＬＰ１の点灯を検出し、検出電圧をバッファアンプＩＣ１に出力する。バッファアンプＩＣ１は前記検出電圧に応じリレーＲＬ１に駆動電流を出力する。
その結果、リレーＲＬ１が動作して常時閉路接点（ａ−ｂ）が開放するので、電源電圧ＶｃｃはコイルＬ４、抵抗Ｒ５を経て、ＬＣ発振回路１３に供給される。このときＬＣ発振回路１３には、抵抗Ｒ５と該ＬＣ発振回路１３の抵抗分によって分圧された電圧が加わる。

次に、前記ルビジウムランプＬＰ１に巻かれた励振コイルＬ１の構造について説明する。
図２は、本発明に係わる励振コイルが巻かれたルビジウムランプの構造例を説明する模式図で、（ａ）はルビジウムランプの断面図、（ｂ）は（ａ）のランプを熱筒に収容したときの断面図を示したものである。
同図（ａ）に示すように、前記ルビジウムランプＬＰ１は、その断面が長円形の形状を有する球形のランプであり、長径方向の一端にチップ部ＬＰ１ａを備えている。
そして、励振コイルＬ１は、ルビジウムランプＬＰ１の短径方向の径が太い部分（以降、発光部という）ＬＰ１ｂのみに巻線が施され、コイルの一端（ Hot End 側）が発光部のランプ端部（発光面）と一致するような巻線の配置としている。また、前記チップ部には巻線を施さないようにしている。

なお、コイルの Hot End（ホットエンド） とは、コイルの両端のうち、高周波電圧の高い側を言い、例えば、図１に示した本実施例では、トリマコンデンサＣ１の容量値を小さくしてそのインピーダンスを高くすることによって、励振コイルＬ１のトリマコンデンサＣ１接続側をコイルの Hot End としている。
また、同図（ｂ）に示すように、前記ルビジウムランプＬＰ１は、出力光窓１２ａを備えた熱筒１２に、発光部と出力光窓１２ａとが対面するように配置され、チップ部ＬＰ１ａと該熱筒１２の壁面とを熱伝導性接着剤１５で固着している。

上述のように、前記チップ部ＬＰ１ａが熱伝導性接着剤１５で熱筒１２に固着されているため、ランプ励振器１００の電源を断としたとき、ルビジウムランプＬＰ１は発光部ＬＰ１ｂよりもチップ部ＬＰ１ａの方が先に冷却される。このため、ルビジウムランプＬＰ１に封入されて気化していたルビジウム原子は、チップ部ＬＰ１ａに液化状態で再凝縮することになる。
また、ルビジウムランプＬＰ１の放電中も、一部気化せずに残った液化状態のルビジウム原子（余剰分）は、このチップ部ＬＰ１ａに留まってランプの発光部ＬＰ１ｂの方向へ流れ出すことがない。
即ち、ルビジウムランプＬＰ１のチップ部ＬＰ１ａは、余剰分のルビジウム原子溜りとして機能している。

また、ランプ励振器１００のＬＣ発振回路１３の電源は、ルビジウムランプＬＰ１の点灯時（放電開始時）には電圧Ｖｃｃが供給され、点灯中は電圧Ｖｃｃよりも低減された電圧が供給される。
即ち、点灯時には放電に必要な電力を励振コイルＬ１に供給し、点灯後には点灯を維持するに充分なレベルまで電力を低減している。
一般に、ランプ点灯中に大電力で強い電界をルビジウム原子やキャリアガスに加え続けると、ブロッキング振動の原因となることが知られている。したがって、本発明は、ルビジウムランプＬ１点灯用のスパーク発生回路を不要とし、ブロッキング振動を防止できるので、その効果は大きい。

本発明に係わるランプ励振器の実施の一形態例を示す構成概要図。 本発明に係わる励振コイルが巻かれたルビジウムランプの構造を説明する模式図で、（ａ）はルビジウムランプの構造例、（ｂ）は（ａ）のランプを熱筒に収容した構造を示す図である。 従来のランプ励振器の一例を示す回路構成図。 従来のルビジウムランプの構造例を示す模式図。

符号の説明

１０・・ランプ励振器、１１・・温度制御回路、１２・・熱筒、１２ａ・・出力光窓、
１２ｂ・・ブラケット、１３・・コルピッツ型のＬＣ発振回路、１４・・電圧制御回路、
１５・・熱電導性接着剤、１００・・ランプ励振器
Ｃ１・・トリマコンデンサ、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６・・コンデンサ、
ＩＣ１・・バッファアンプ、Ｌ１・・励振コイル、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４・・コイル、
Ｌ５・・励振コイル、ＬＰ１、ＬＰ２・・ルビジウムランプ、ＬＰ１ａ・・チップ部、
ＬＰ２ｂ・・発光部、Ｑ１・・発振用トランジスタ、
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６・・抵抗、ＲＬ１・・リレー、Ｔ１・・トランス

Claims (3)

1. 中空を有するガラス体と、前記中空内に封入したルビジウム原子とを有するルビジウムランプと、前記ルビジウムランプに電磁界を供給する為の励振コイルと、前記励振コイルが前記ガラス体をコアにして巻きつけられた構成と、を有するルビジウム原子発振回路用のランプ励振器であって、
   前記中空の形状が前記ルビジウムランプの発光面の位置とは異なる所に液化した状態のルビジウム原子を溜めるための凹みを有し、前記励振コイルの２つの端のうち高周波電圧の高い側となる端側を前記発光面側に配置すると共に、前記凹み部分を前記励振コイルの他方の端側に配置したことを特徴とするルビジウム原子発振回路用のランプ励振器。
2. 前記ランプ励振器が、前記励振コイルとコンデンサとを有する共振回路と発振用トランジスタとを備えたＬＣ発振回路と、前記発振用トランジスタのバイアス回路に印加する電圧を制御する為の電圧制御回路と、を備えたものであり、
   前記電圧制御回路が、バッファアンプと、リレーと、前記リレーと並列に接続した抵抗とを有し、
   前記リレーが、前記バイアス回路に導通した端子と直流電源に導通した端子との間を開閉制御可能な導通路を有し、
   前記導通路が、前記バッファアンプが出力する駆動電流によって開閉制御されるものであり、前記ルビジウムランプの発光に伴い検出電圧を出力するランプ点灯光検出回路の出力端子と前記バッファアンプの入力端子とを導通接続した構成を有することを特徴とするルビジウム原子発振器用のランプ励振器。
3. 前記凹み部分を形成するガラス体の部分の外面と、前記ルビジウムランプを収容するケースの壁面とを熱伝導性接着剤によって固着したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のルビジウム原子発振回路用のランプ励振器。

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