JP4725429B2 - 原子発振器及び原子発振器の温度制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、原子発振器及び原子発振器の温度制御方法に関し、さらに詳しくは、サーモ
モジュールを使用してランプ保持部材とガスセル保持部材間の温度差を最適化して原子発
振器の光学系を小型化する技術に関するものである。

従来、ルビジウム原子発振器においては特許文献１に記載された先行技術のように、ル
ビジウムランプおよびルビジウムガスセルを用いた光学系をコア技術としており、この光
学系より原子の超微細準位間のエネルギに基づく周波数信号を検出して高安定な周波数信
号を出力している。

図６は従来の原子発振器の光学系の概略構成図である。図６のように、ルビジウムラン
プ４９及びルビジウムガスセル５０はルビジウムの物性を生かすためそれぞれ適切な温度
に温度コントロールされており、制御される温度は夫々ルビジウムランプ４９が約１００
℃、ルビジウムガスセル５０が約７３℃程度であることが多いようである（設計思想など
により、設定する温度は多少変化する）。そしてルビジウムランプ４９及びルビジウムガ
スセル５０は、それぞれ温度を安定化させるために金属ブロック（以下、熱筒）４２、４
４に封入されており、それぞれの熱筒にヒータ４１、４５を取りつけて個別に加熱してい
る。即ち、温度のコントロールは積極的な冷却手段を持たずに、ヒータ４１、４５の加熱
を強めたり弱めたりすることで行っている。

また、ＯＭＵ部は振動に対して非常に感度が高く動作中に振動を与えると原子発振器と
しての出力周波数が変動してしまう。これは、ルビジウムランプ４９からルピジウムガス
セル５０に入る間の光軸５４が、振動により微小に動くことによるものである。光軸５４
がぶれると、基準周波数信号の元となる光の信号がぶれてしまうため、結果として原子発
振器の出力周波数が変動してしまうことにつながる。したがって、光学系は固定用のスペ
ーサ５１、５２により主にベースとなるプリント基板５３などに強固に固定している。
特公平６−８２８７２号公報

しかしながら、図６に示す従来の光学系（ルビジウムランプ熱筒４２とルビジウムガス
セル熱筒４４を含む光学系部分、以下ＯＭＵ部）は、制御温度の異なる２者を内包するた
め、互いに熱の影響を与えないだけの十分な距離を置いて設置せざるを得なかった。仮に
小型化のためにこの２者を近接させると、ルビジウムガスセル５０の温度（７３℃）がル
ビジウムランプ４９の温度（１００℃）に影響されてルビジウムガスセル５０の温度が上
がってしまい、異常動作の原因となるといった問題がある。
また、振動に対する動作の安定性を高くするために光学系をベースとなるプリント基板
５３などに強固に固定しているが、この固定部材は極力金属スベーサやねじなどで強固に
固定される必要があるため、振動対策をするためにこの部分から放熱してしまい消費電力
の上昇を招いていた。

また、特許文献１に開示されている従来技術は、ルビジウムランプ熱筒とルビジウムガ
スセル熱筒の間に断熱材を入れる手法を取っているが、光学系全体を小型化しようとした
場合には、断熱材を入れる空間が充分には確保できず断熱効果が得られにくくなるといっ
た問題がある。逆に断熱材を入れる空間を確保しようとすると、ランプを小さくすること
になり、充分な発光量が得られず、特性の悪化を招く虞がある。更に、上記したように光
学系は振動に弱く、提案されている構造だはでは、ランプを断熱材を介して強固に固定す
ることが出来ない。また、何かの堅牢性のある部材でランプを固定する場合は、ルビジウ
ムガスセル熱筒に対して固定しなくてはならないため、この固定部材を介してルビジウム
ガスセルと、ルビジウムランプの間の相互の熱の影響が避けられなくなるといった問題が
ある。

本発明は、かかる課題に鑑み、ランプ保持部材とガスセル保持部材の間にサーモモジュ
ールを挟み、ランプ保持部材とガスセル保持部材間の温度差を適切になるようにサーモモ
ジュールを制御することにより、ルビジウムガスセルとルビジウムランプ間の熱の影響を
低減すると共に、光学系を小型化することができる原子発振器を提供することを目的とす
る。

本発明はかかる課題を解決するために、原子発振器のガスセルと、該ガスセルを保持する第１の保持部材と、前記ガスセルに光を出射する発光手段と、前記発光手段を保持する第２の保持部材と、前記第１の保持部材を加熱する第１の加熱手段と、前記第２の保持部材を加熱する第２の加熱手段と、を備えた原子発振器であって、
表裏関係にある第１の面と第２の面とを有するサーモモジュールと、電流により前記第１の面と前記第２の面との間の温度差を制御するサーモモジュール制御手段と、を備え、
前記光が入射する前記第１の保持部材の面と、前記サーモモジュールの第１の面とが対向し、且つ前記光が出射する前記第２の保持部材の面と、前記サーモモジュールの第２の面とが対向するように、前記第１の保持部材の面と前記第２の保持部材の面との間に前記サーモモジュールを挟みこんで配置したことを特徴する。

ガスセル保持部材（第１の保持部材）とランプ保持部材（第２の保持部材）を加熱する温度は一般に異なる。即ち、ランプ保持部材は約１００℃、ガスセル保持部材は約７３℃が一般的である。従って、両者の温度差は２７℃あり、近接すると、特に温度の低いガスセル保持部材の温度がランプ保持部材の温度に影響されて高くなってしまう。この不具合を解消するために、両者の距離を離間したり、断熱材により温度の影響を遮断するようにしていたが、それにも限界があって小型化、安定性を阻害していた。そこで本発明では、小型化を図りつつ、両者の温度の影響を低減するために、ガスセル保持部材とランプ保持部材との間に、サーモモジュールを設置して、積極的に両者の温度差を利用して実質的に断熱するものである。これにより、ガスセル保持部材とランプ保持部材の間を接近させることができるので、光学系を小型化することができ、且つ両者の温度差を維持することができる。

また、前記サーモモジュール制御手段は、前記第１の面か前記第２の面の何れか一方の面の温度を基準とし、他方の面の温度が前記基準温度に対して所定の温度差を有するように前記サーモモジュールを制御することを特徴とする。
サーモモジュールは表裏関係にある２つの面の間に所定の温度差を生じる素子である。また、電流の大小、極性により一方の面を基準として他方の面の温度を上げたり下げたりすることができる。これにより、電流値と極性を制御することにより、容易に温度制御することができる。

また、前記サーモモジュール制御手段は、前記第１の保持部材の温度を基準とし、前記サーモモジュールの第２の面の温度を、前記第２の加熱手段により加熱される温度と等しくなるように前記サーモモジュールを制御することにより、前記第２の加熱手段を不要としたことを特徴とする。
ガスセル保持部材（第１の保持部材）とランプ保持部材（第２の保持部材）は夫々異なる温度により別々の加熱手段により加熱される。本発明はランプ保持部材の加熱手段（第２の加熱手段）を省略するための発明である。即ち、ガスセル保持部材の加熱手段（第１の加熱手段）はガスセル保持部材を約７３℃に加熱する。一方、ランプ保持部材の加熱手段（第２の加熱手段）がある場合は約１００℃にランプ保持部材を加熱する。そして両者の温度差は約２７℃存在する。そこで本発明では、ランプ保持部材の加熱手段（第２の加熱手段）を省略して、ガスセル保持部材の７３℃を基準として、サーモモジュールのランプ保持部材側の面の温度を１００℃になるように、サーモモジュールに基準温度に対して２７℃上昇する電流を流すことにより、加熱手段がなくともランプ保持部材を１００℃に加熱するものである。これにより、ランプ保持部材の加熱手段を省略して、光学系の小型化とコストダウンを図ることができる。

また、前記サーモモジュール制御手段は、前記第２の保持部材の温度を基準とし、前記サーモモジュールの第１の面の温度を、前記第１の加熱手段により加熱される温度と等しくなるように前記サーモモジュールを制御することにより、前記第１の加熱手段を不要としたこと特徴とする
ガスセル保持部材（第１の保持部材）とランプ保持部材（第２の保持部材）は夫々異なる温度により別々の加熱手段により加熱される。本発明はガスセル保持部材の加熱手段（第１の加熱手段）を省略するための発明である。即ち、ランプ保持部材の加熱手段（第２の加熱手段）はランプ保持部材を約１００℃に加熱する。一方、ガスセル保持部材の加熱手段（第１の加熱手段）がある場合は約７３℃にガスセル保持部材を加熱する。そして両者の温度差は約２７℃存在する。そこで本発明では、ガスセル保持部材の加熱手段（第１の加熱手段）を省略して、ランプ保持部材の１００℃を基準として、サーモモジュールのガスセル保持部材側の面の温度を７３℃になるように、サーモモジュールに基準温度に対して２７℃降下する電流を流すことにより、加熱手段がなくともガスセル保持部材を７３℃に加熱するものである。これにより、ガスセル保持部材の加熱手段を省略して、光学系の小型化とコストダウンを図ることができる。

また、前記第１の保持部材をベースに固定するスペーサ又は前記第２の保持部材をベースに固定するスペーサの何れか一方のみを備えていることを特徴とする。
ランプ保持部材（第２の保持部材）とガスセル保持部材（第１の保持部材）は、光軸がずれないようにスペーサにより堅牢なベースに固定される。一般にこれらのスペーサは各保持部材と一体化された金属によって構成されている。従って、スペーサをベースに固定すると、そのスペーサを介してベースに温度が逃げてしまい、その分、加熱手段に電流を多く流さなければならなくなる。そこで本発明では、いずれか一方にのみスペーサを備えるようにして、スペーサを省略した保持部材をサーモモジュールを介してスペーサを備えた保持部材側に固定してベースから浮かせるものである。これにより、加熱温度が逃げるのを減少させて、加熱手段の効率を高めることができる。

また、前記サーモモジュールは、前記発光手段からの光を透過させる開口部を備えたことを特徴とする
サーモモジュールは２つの対向面を備えており、各対向面をランプ保持部材（第２の保持部材）の出射面とガスセル保持部材（第１の保持部材）の入射面に接触させている。しかし、出射面から出射されたルビジウム光を入射面から入射させる必要がある。そこで本発明では、ルビジウム光が透過するようにサーモモジュールに開口部を備えるものである。これにより、ルビジウム光を透過させつつ、各保持部材の温度を維持することができる。

また、前記サーモモジュールは、ペルチェ素子により構成されていることを特徴とする
。
ペルチェ素子は、２種類の金属の接合部に電流を流すと、片方の金属からもう一方の金
属へ熱が移動するペルチェ効果を利用した素子である。即ち、電流値や極性により任意に
温度や向きを制御することができるため、本発明の光学系に使用するには最適である。

また、原子発振器のガスセルと、該ガスセルを保持する第１の保持部材と、前記ガスセルに光を出射する発光手段と、前記発光手段を保持する第２の保持部材と、前記第１の保持部材を加熱する第１の加熱手段と、前記第２の保持部材を加熱する第２の加熱手段と、を備えた原子発振器の温度制御方法であって、
表裏関係にある第１の面と第２の面とを有するサーモモジュールと、電流により前記第１の面と前記第２の面との間の温度差を制御するサーモモジュール制御手段と、を備え、
前記サーモモジュール制御手段は、前記第１の面か前記第２の面の何れか一方の面の温度を基準とし、他方の面の温度が前記基準温度に対して所定の温度差を有するように前記サーモモジュールを制御することを特徴とする。
本発明は上記の原子発振器と同様の作用効果を奏する。

また、前記サーモモジュール制御手段は、前記第１の保持部材の温度を基準とし、前記サーモモジュールの第２の面の温度を、前記第２の加熱手段により加熱される温度と等しくなるように前記サーモモジュールを制御することを特徴とする。
本発明は上記の原子発振器と同様の作用効果を奏する。

また、前記サーモモジュール制御手段は、前記第２の保持部材の温度を基準とし、前記前記サーモモジュールの第１の面の温度を、前記第１の加熱手段により加熱される温度と等しくなるように前記サーモモジュールを制御することを特徴とする。
本発明は上記の原子発振器と同様の作用効果を奏する。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記
載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限
り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
図１（ａ）は本発明のルビジウム原子発振器を構成する光学系の構成を示す図である。
この光学系１００は、ルビジウム原子を封入したガスセルを保持するガスセル保持部材４
と、ガスセル中のルビジウム原子を励起するルビジウムランプを保持するランプ保持部材
２と、ガスセル保持部材４を加熱するガスセルヒータ（ガスセル加熱手段）５と、ランプ
保持部材２を加熱するランプヒータ（ランプ加熱手段）１と、熱エネルギと電気エネルギ
の直接相互交換による熱電効果により対向面に温度差を生ずるサーモモジュール３と、電
流の大小及び極性により対向面に生じる温度差の大小と向きを制御する温度制御部（サー
モモジュール制御手段）７と、を備えて構成される。また、ランプ保持部材２とガスセル
保持部材４には、温度を検知する温度センサ８、６を備え、温度制御部７は、温度センサ
８、６の温度データに基づいてランプヒータ１とガスセルヒータ５の温度も制御している
。

図１（ｂ）は、本発明のルビジウム原子発振器を構成する光学系の温度分布を説明する
図である。同じ構成要素には図１（ａ）と同じ参照番号を付して説明する。例えば、サー
モモジュール３のガスセル保持部材４に接する面をａ、サーモモジュール３のランプ保持
部材２に接する面をｂ、ガスセル保持部材４の加熱温度をｔ１、ランプ保持部材２の加熱
温度をｔ２、サーモモジュール３の制御温度をｔ３とした場合、ａ面の温度はガスセル保
持部材４の加熱温度ｔ１と等しくなる。また、制御温度ｔ３は、ｂ面の温度がｔ２になる
ように設定されるのでｔ１＋ｔ３となる。即ち、ｂ面の温度はｔ１＋ｔ３＝ｔ２となる。

例えば、具体的にｔ１＝７３℃、ｔ２＝１００℃とした場合、
ｔ３＝ｔ２−ｔ１＝１００℃−７３℃＝２７℃
となる。従って、ａ面の温度は７３℃、ｂ面の温度は１００℃となる。言い換えると、サ
ーモモジュール３は、ａ面の温度７３℃を基準として、２７℃上昇させてｂ面の温度が１
００℃になるように電流と極性を制御するものである。また、逆にｂ面の温度１００℃を
基準とした場合は、２７℃降下させてａ面の温度が７３℃になるように電流と極性を制御
する。

図２（ａ）は本発明の第１の実施形態に係るルビジウム原子発振器を構成する光学系の
概略構成図である。同じ構成要素には図１と同じ参照番号を付して説明する。この光学系
１１０は、ルビジウム原子を封入したガスセル１０と、ガスセル１０を保持するガスセル
保持部材４と、ガスセル１０中のルビジウム原子を励起するルビジウムランプ９と、ルビ
ジウムランプ９を保持するランプ保持部材２と、ガスセル保持部材４を加熱するガスセル
ヒータ５と、ランプ保持部材２を加熱するランプヒータ１と、熱エネルギと電気エネルギ
の直接相互交換による熱電効果により対向面に温度差を生ずるサーモモジュール３と、ラ
ンプ保持部材２をベース１３に固定するランプスペーサ１１と、ガスセル保持部材４をベ
ース１３に固定するガスセルスペーサ１２と、を備えて構成される。尚、図では温度制御
手段７と温度センサ８、６を省略しており、以下同様とする。

本実施形態では、ルビジウムランプ９から発光されるルビジウム光１４を出射するラン
プ保持部材２の出射口を備えた出射面２ａと、ルビジウム光１４をガスセル１０に入射さ
せるガスセル保持部材４の入射口を備えた入射面４ａとの間に、各対向面３ｂ、３ｃが接
するようにサーモモジュール３を挟み込んだ構成である。そして、図示しない温度制御部
７によりサーモモジュール３の電流値と極性を制御することにより、ランプ保持部材２の
温度とガスセル保持部材４の温度が相互に影響しないように制御すると共に、光学系を小
型化することができる。

即ち、ガスセル保持部材４とランプ保持部材２を加熱する温度は一般に異なる。即ち、
ランプ保持部材２は約１００℃、ガスセル保持部材４は約７３℃が一般的である。従って
、両者の温度差は２７℃あり、近接すると、特に温度の低いガスセル保持部材４の温度が
ランプ保持部材２の温度に影響されて高くなってしまう。それを防止するために、両者の
距離を離間したり、断熱材により温度の影響を遮断するようにしていたが、それにも限界
があって小型化、安定性を阻害していた。そこで本実施形態では、小型化を図りつつ、両
者の温度の影響を低減するために、ガスセル保持部材４とランプ保持部材２の間に、サー
モモジュール３を設置して、積極的に両者の温度差を利用して実質的に断熱するものであ
る（その原理は図１（ｂ）で説明したとおりである）。これにより、ガスセル保持部材４
とランプ保持部材２の間を接近させることができるので、光学系１１０を小型化すること
ができ、且つ両者の温度差を維持することができる。

図２（ｂ）は本発明の第２の実施形態に係るルビジウム原子発振器を構成する光学系の
概略構成図である。同じ構成要素には図２（ａ）と同じ参照番号を付して説明する。この
光学系１２０が光学系１１０と異なる点は、ランプ保持部材２のランプスペーサ１１を省
略して、ガスセルスペーサ１２のみで光学系１２０をベース１３に固定したことである。
尚、本実施形態では、ランプ保持部材２のランプスペーサ１１を省略しているが、ガスセ
ルスペーサ１２を省略してランプスペーサ１１のみで光学系１２０をベース１３に固定し
ても良い。

即ち、ランプ保持部材２とガスセル保持部材４は、光軸がずれないようにスペーサ１１
、１２により堅牢なベース１３に固定される。一般にこれらのスペーサ１１、１２は各保
持部材と一体化された金属によって構成されている。従って、スペーサ１１、１２をベー
ス１３に固定すると、そのスペーサ１１、１２を介してベース１３に温度が逃げてしまい
、その分、ヒータに電流を多く流さなければならなくなる。そこで本実施形態では、ガス
セル保持部材４にのみガスセルスペーサ１２を備えるようにして、ランプスペーサ１１を
省略したランプ保持部材２をサーモモジュール３を介してガスセル保持部材４側に固定し
てベース１３から浮かせるものである。これにより、加熱温度が逃げるのを減少させて、
ランプヒータ１の効率を高めることができる。

図３（ａ）は本発明の第３の実施形態に係るルビジウム原子発振器を構成する光学系の
概略構成図である。同じ構成要素には図２（ａ）と同じ参照番号を付して説明する。この
光学系１３０が光学系１１０と異なる点は、ランプ保持部材２のランプヒータ１を取り除
いたことである。
即ち、図示しない温度制御手段７は、ガスセル保持部材４の温度を基準とした場合、入
射面４ａと接するサーモモジュール３の面３ｃと対向する面３ｂの温度を、ランプヒータ
１により加熱される温度と等しくなるようにサーモモジュール３を制御することにより、
ランプヒータ１を不要としたものである。

ガスセル保持部材４とランプ保持部材２は夫々異なる温度により別々のヒータにより加
熱される。本実施形態はランプ保持部材２のランプヒータ１を省略するための発明である
。即ち、ガスセル保持部材４のガスセルヒータ５はガスセル保持部材４を約７３℃に加熱
する。一方、ランプ保持部材２のランプヒータ１がある場合は約１００℃にランプ保持部
材２を加熱する。そして両者の温度差は約２７℃存在する。そこで本実施形態では、ラン
プ保持部材４のランプヒータ１を省略して、ガスセル保持部材４の７３℃を基準として、
サーモモジュール３のランプ保持部材２側の面３ｂの温度を１００℃になるように、サー
モモジュール３に基準温度７３℃に対して２７℃上昇する電流を流すことにより、ランプ
ヒータ１がなくともランプ保持部材２を１００℃に加熱するものである。これにより、ラ
ンプ保持部材２のランプヒータ１を省略して、光学系の小型化とコストダウンを図ること
ができる。しかし、この実施形態では、ランプヒータ１を省略したので、ランプ保持部材
２の温度が１００℃に上昇するまでに時間を要することになる。

図３（ｂ）は本発明の第４の実施形態に係るルビジウム原子発振器を構成する光学系の
概略構成図である。同じ構成要素には図３（ａ）と同じ参照番号を付して説明する。この
光学系１４０が光学系１３０と異なる点は、ランプ保持部材２のランプスペーサ１１を省
略して、ガスセルスペーサ１２のみで光学系１２０をベース１３に固定したことである。
尚、本実施形態では、ランプ保持部材２のランプスペーサ１１を省略しているが、ガスセ
ルスペーサ１２を省略してランプスペーサ１１のみで光学系１２０をベース１３に固定し
ても良い。しかし、温度上昇が遅いランプ保持部材２の加熱効率を高めるためには、ラン
プスペーサ１１を省略したほうが好ましい。

図４（ａ）は本発明の第５の実施形態に係るルビジウム原子発振器を構成する光学系の
概略構成図である。同じ構成要素には図２（ａ）と同じ参照番号を付して説明する。この
光学系１５０が光学系１１０と異なる点は、ガスセル保持部材４のガスセルヒータ５を取
り除いたことである。
即ち、図示しない温度制御手段７は、ランプ保持部材２の温度を基準とした場合、出射
面２ａと接するサーモモジュール３の面３ｂと対向する面３ｃの温度を、ガスセルヒータ
５により加熱される温度と等しくなるようにサーモモジュール３を制御することにより、
ガスセルヒータ５を不要としたものである。

ガスセル保持部材４とランプ保持部材２は夫々異なる温度により別々のヒータにより加
熱される。本実施形態はガスセル保持部材４のガスセルヒータ５を省略するための発明で
ある。即ち、ランプ保持部材２のランプヒータ１はランプ保持部材２を約１００℃に加熱
する。一方、ガスセル保持部材４のガスセルヒータ５がある場合は約７３℃にガスセル保
持部材４を加熱する。そして両者の温度差は約２７℃存在する。そこで本実施形態では、
ガスセル保持部材４のガスセルヒータ５を省略して、ランプ保持部材２の１００℃を基準
として、サーモモジュール３のガスセル保持部材４側の面３ｃの温度を７３℃になるよう
に、サーモモジュール３に基準温度１００℃に対して２７℃降下する電流を流すことによ
り、ガスセルヒータ５がなくともガスセル保持部材４を７３℃に加熱するものである。こ
れにより、ガスセル保持部材４のガスセルヒータ５を省略して、光学系の小型化とコスト
ダウンを図ることができる。しかし、この実施形態では、ガスセルヒータ５を省略したの
で、ガスセル保持部材４の温度が７３℃になるまでに時間を要することになる。

図４（ｂ）は本発明の第６の実施形態に係るルビジウム原子発振器を構成する光学系の
概略構成図である。同じ構成要素には図４（ａ）と同じ参照番号を付して説明する。この
光学系１６０が光学系１５０と異なる点は、ガスセル保持部材４のガスセルスペーサ１２
を省略して、ランプスペーサ１１のみで光学系１６０をベース１３に固定したことである
。尚、本実施形態では、ガスセル保持部材４のガスセルスペーサ１２を省略しているが、
ランプペーサ１１を省略してガスセルスペーサ１２のみで光学系１６０をベース１３に固
定しても良い。しかし、温度降下が遅いガスセル保持部材４の加熱効率を高めるためには
、ガスセルスペーサ１２を省略したほうが好ましい。

図５は本発明の光学系を構成するサーモモジュールの構成を示す斜視図である。（ａ）
はペルチェ素子を使用したサーモモジュールの部分断面図、（ｂ）は本発明の光学系に使
用するサーモモジュールの斜視図、（ｃ）は本発明の光学系に使用するサーモモジュール
の変形実施例の斜視図である。
例えば、ペルチェ素子を使用したサーモモジュールの構成は、図５（ａ）のように、セ
ラミック基板２２上に金属電極２１ａ、２１ｃ、２１ｄと半導体２１ｂ、２１ｅにより１
つのペルチェ素子２１が構成され、それを１つの単位として複数のペルチェ素子が縦続接
続されてサーモモジュールを構成している。そして金属電極２１ｃからリード線２９が接
続され、このリード線２９より電流を流すことにより、セラミック基板２２と２３の間に
温度差を生じるものである。尚、ペルチェ素子の動作原理は公知であるので、ここでは詳
細な説明は省略する。

次に図５（ｂ）を参照して本発明のサーモモジュールの構成について説明する。このサ
ーモモジュール３は、ルビジウム光１４が透過するように開口部２０を備えたセラミック
基板２２、２３と、図５（ａ）で説明したペルチェ素子２１と、を備えて構成され、ペル
チェ素子２１はセラミック基板２２、２３によりサンドイッチ状に挟み込まれた構成とな
っている。即ち、セラミック基板２２、２３が夫々ランプ保持部材２の出射面２ａとガス
セル保持部材４の入射面４ａと密着して備えられる。尚、この図では開口部２０を円形と
して１枚のセラミック基板を加工して形成しているが、図５（ｃ）のように、矩形のセラ
ミック基板２４ａ、２４ｂによりペルチェ素子２１を挟んだものを４つ組み合わせて開口
部２５を構成するようにしても良い。

このように、サーモモジュール３は２つの対向面２２、２３を備えており、各対向面を
ランプ保持部材２の出射面２ａとガスセル保持部材４の入射面４ａに接触させている。し
かし、出射面２ａから出射されたルビジウム光１４を入射面４ａから入射させる必要があ
る。そこで本実施形態では、ルビジウム光１４が透過するようにサーモモジュール３に開
口部２０を備えるものである。これにより、ルビジウム光１４を透過させつつ、ランプ保
持部材２とガスセル保持部材４の温度を維持することができる。

（ａ）は本発明のルビジウム原子発振器を構成する光学系の構成を示す図、（ｂ）は本発明のルビジウム原子発振器を構成する光学系の温度分布を説明する図である。 （ａ）は本発明の第１の実施形態に係るルビジウム原子発振器を構成する光学系の概略構成図、（ｂ）は本発明の第２の実施形態に係るルビジウム原子発振器を構成する光学系の概略構成図である。 （ａ）は本発明の第３の実施形態に係るルビジウム原子発振器を構成する光学系の概略構成図、（ｂ）は本発明の第４の実施形態に係るルビジウム原子発振器を構成する光学系の概略構成図である。 （ａ）は本発明の第５の実施形態に係るルビジウム原子発振器を構成する光学系の概略構成図、（ｂ）は本発明の第６の実施形態に係るルビジウム原子発振器を構成する光学系の概略構成図である。 （ａ）はペルチェ素子を使用したサーモモジュールの部分断面図、（ｂ）は本発明の光学系に使用するサーモモジュールの斜視図、（ｃ）は本発明の光学系に使用するサーモモジュールの変形実施例の斜視図である。 従来の原子発振器の光学系の概略構成図である。

符号の説明

１ ランプヒータ、２ ランプ保持部材、３ サーモモジュール、４ ガスセル保持部
材、５ ガスセルヒータ、６、８ 温度センサ、７温度制御部、９ ルビジウムランプ、
１０ ガスセル、１１ ランプスペーサ、１２ ガスセルスペーサ、１３ ベース、１４
ルビジウム光、１００ 光学系

Claims (10)

1. 原子発振器のガスセルと、該ガスセルを保持する第１の保持部材と、前記ガスセルに光を出射する発光手段と、前記発光手段を保持する第２の保持部材と、前記第１の保持部材を加熱する第１の加熱手段と、前記第２の保持部材を加熱する第２の加熱手段と、を備えた原子発振器であって、
   表裏関係にある第１の面と第２の面とを有するサーモモジュールと、電流により前記第１の面と前記第２の面との間の温度差を制御するサーモモジュール制御手段と、を備え、
   前記光が入射する前記第１の保持部材の面と、前記サーモモジュールの第１の面とが対向し、且つ前記光が出射する前記第２の保持部材の面と、前記サーモモジュールの第２の面とが対向するように、前記第１の保持部材の面と前記第２の保持部材の面との間に前記サーモモジュールを挟みこんで配置したことを特徴する原子発振器。
2. 前記サーモモジュール制御手段は、前記第１の面か前記第２の面の何れか一方の面の温度を基準とし、他方の面の温度が前記基準温度に対して所定の温度差を有するように前記サーモモジュールを制御することを特徴とする請求項１に記載の原子発振器。
3. 前記サーモモジュール制御手段は、前記第１の保持部材の温度を基準とし、前記サーモモジュールの第２の面の温度を、前記第２の加熱手段により加熱される温度と等しくなるように前記サーモモジュールを制御することにより、前記第２の加熱手段を不要としたことを特徴とする請求項１又は２に記載の原子発振器。
4. 前記サーモモジュール制御手段は、前記第２の保持部材の温度を基準とし、前記サーモモジュールの第１の面の温度を、前記第１の加熱手段により加熱される温度と等しくなるように前記サーモモジュールを制御することにより、前記第１の加熱手段を不要としたこと特徴とする請求項１又は２に記載の原子発振器。
5. 前記第１の保持部材をベースに固定するスペーサ又は前記第２の保持部材をベースに固定するスペーサの何れか一方のみを備えていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の原子発振器。
6. 前記サーモモジュールは、前記発光手段からの光を透過させる開口部を備えたことを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の原子発振器。
7. 前記サーモモジュールは、ペルチェ素子により構成されていることを特徴とする請求項
   １乃至６の何れか一項に記載の原子発振器。
8. 原子発振器のガスセルと、該ガスセルを保持する第１の保持部材と、前記ガスセルに光を出射する発光手段と、前記発光手段を保持する第２の保持部材と、前記第１の保持部材を加熱する第１の加熱手段と、前記第２の保持部材を加熱する第２の加熱手段と、を備えた原子発振器の温度制御方法であって、
   表裏関係にある第１の面と第２の面とを有するサーモモジュールと、電流により前記第１の面と前記第２の面との間の温度差を制御するサーモモジュール制御手段と、を備え、
   前記サーモモジュール制御手段は、前記第１の面か前記第２の面の何れか一方の面の温度を基準とし、他方の面の温度が前記基準温度に対して所定の温度差を有するように前記サーモモジュールを制御することを特徴とする原子発振器の温度制御方法。
9. 前記サーモモジュール制御手段は、前記第１の保持部材の温度を基準とし、前記サーモモジュールの第２の面の温度を、前記第２の加熱手段により加熱される温度と等しくなるように前記サーモモジュールを制御することを特徴とする請求項８に記載の原子発振器の温度制御方法。
10. 前記サーモモジュール制御手段は、前記第２の保持部材の温度を基準とし、前記サーモモジュールの第１の面の温度を、前記第１の加熱手段により加熱される温度と等しくなるように前記サーモモジュールを制御することを特徴とする請求項８に記載の原子発振器の温度制御方法。

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