JP5402036B2

JP5402036B2 - 原子発振器

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Publication number: JP5402036B2
Application number: JP2009024548A
Authority: JP
Inventors: 博野村
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2009-02-05
Filing date: 2009-02-05
Publication date: 2014-01-29
Anticipated expiration: 2029-02-05
Also published as: JP2010183323A

Description

本発明は、原子発振器に関し、さらに詳しくは、ＣＰＴ方式又は２重共鳴方式による原
子発振器における電圧制御水晶発振器への制御電圧の供給方法に関するものである。

特許文献１には従来の原子発振器について開示されている。従来の構成では、周波数制
御部は位相検波器からの信号を積分回路（アナログ回路）により積分することにより制御
電圧を得ていた。
図７は従来の原子発振器の概略構成を示すブロック図であり、電圧制御水晶発振器１と
、電圧制御水晶発振器１の出力信号を所定の周波数により位相変調して、位相変調された
信号を気体原子の遷移周波数に逓倍する周波数合成逓倍部４と、光源と、光源から出射さ
れた光の波長により光の吸収量を変化させるガスセルと、ガスセルから透過する光を検出
する光検出器とを備えた原子共鳴部３と、光検出器の出力レベルに基づいて中心波長を設
定し、光検出器の出力を検波してＥＩＴまたは二重共鳴状態を検出することにより電圧制
御水晶発振器１の出力周波数を制御する周波数制御部３０と、を備えて構成されている。
図８は水晶発振器と原子発振器のτ秒平均時間による周波数変動の短期安定度の違いを示
す図である。この図から明らかな通り、原子発振器の特性３２は、τ秒平均時間がτ０以
下では、水晶発振器の特性３１に比べて短期安定度が悪くなっているのが分かる。この要
因として考えられるのが、原子発振器では、τ秒平均時間がτ０秒以下に含まれる周波数
変動の速い成分に対する制御が行なわれないため、また回路内部からの擾乱やノイズの影
響のため、結果的に短期安定度が水晶発振器より劣っていると考えられる。

特開２００８−１３１１２３公報

しかし、従来の原子発振器においては、周波数制御を連続的に行なっているため、周波
数変動の速い成分に関わる短期安定度の改善を行なうことが回路的に困難であった。
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、周波数制御部をデジタル構成にし
て、制御信号を出力するタイミングを所定のデューティ比又は周期により制御信号が動作
している期間と、停止している期間を設けることにより、τ秒平均時間の短い期間におけ
る短期安定度を向上させた原子発振器を提供することを目的とする。
また、他の目的は、制御信号が停止している期間を利用して、不必要な回路をパワーダ
ウンしてトータルの消費電力を低減することである。

本発明は、上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
形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］共鳴光とマイクロ波を利用した二重共鳴法、又は２種類の共鳴光による量子干渉効果を利用したＣＰＴ法により、光吸収特性を利用して発振周波数を制御する原子発振器であって、光源と、該光源から出射された光の波長により光の吸収量を変化させるガスセルと、前記ガスセルから透過する光を検出する光検出手段と、を備えた原子共鳴部と、電圧制御水晶発振器の出力信号を所定の周波数により変調して、該変調された信号を前記ガスセルに封入された気体原子の遷移周波数に逓倍する周波数合成逓倍部と、前記光検出手段の出力レベルに基づいて中心波長を制御し、該光検出手段の出力を検波して二重共鳴またはＥＩＴ状態を検出することにより前記電圧制御水晶発振器の出力周波数を制御する周波数制御手段と、を備え、前記周波数制御手段は、前記電圧制御水晶発振器の発振周波数を制御する制御電圧を、所定の周期又はデューティ比で間欠的に出力するように構成され、前記周波数制御手段は、前記光検出手段の出力信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換手段と、前記制御電圧を所定の周期又はデューティ比で間欠的に出力するタイミングを生成する制御周期生成手段と、該制御周期生成手段により生成されたタイミングに基づいて出力された制御電圧をアナログ電圧に変換するＤ／Ａ変換手段と、前記制御周期生成手段のタイミングに基づいて、パワーダウンする期間を指示した信号を出力するパワーダウン生成部と、を備え、前記パワーダウン生成部は、前記周波数合成逓倍部と前記原子共鳴部のうち少なくとも一方がパワーダウンするように構成されていることを特徴とする。
二重共鳴方式又はＣＰＴ方式の原子発振器は、大きく分けて周波数合成逓倍部、原子共鳴部、及び周波数制御手段により構成されている。従来の周波数制御手段では、周波数制御を積分器等を使用したアナログ回路により構成して、周波数の制御を連続的に行なっていた。その結果、周波数変動の速い成分に関わる短期安定度が水晶発振器の特性より劣るといった問題があった。そこで本発明では、電圧制御水晶発振器の発振周波数を制御する制御電圧を、所定の周期又はデューティ比で間欠的に出力するように構成した。これにより、τ秒平均時間の短い期間における短期安定度を改善することができる。

τ秒平均時間の短い期間における短期安定度を改善するためには、制御電圧を所定の周
期又はデューティ比で間欠的に出力するように構成しなければならない。これを回路的に
実現するには、回路をデジタル化する必要がある。そこで本発明では、周波数制御手段を
デジタル化するために、光検出手段の出力信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換手段
を備える。そして、デジタル化した信号に基づいて、制御電圧を間欠的に出力する。また
、制御電圧が停止されている期間は、周波数制御動作は無効であるので、全ての回路を動
作させる必要はない。従って、その無効期間に周波数合成逓倍部、又は／及び、原子共鳴
部をパワーダウンするように構成する。これにより、短期安定度の改善を回路的に実現で
きると共に、回路の消費電力を低減することができる。

［適用例２］前記周波数制御手段は、前記制御周期生成手段により生成するタイミングを変更可能としたことを特徴とする。

原子発振器の種類又は使用期間により特性が変化してくる。従って、制御信号の周期と
デューティ比も、その特性に合わせて設定することが好ましい。そこで本発明では、制御
周期生成手段により生成するタイミングを変更可能とした。これにより、原子発振器の種
類又は使用期間に最適な制御信号の周期とデューティ比を設定することができる。

［適用例３］前記周波数制御手段は、前記制御周期生成手段により生成されたタイミングに基づいて出力された制御電圧が停止している期間は、直前の制御電圧が動作している期間の最終値を保持して出力することを特徴とする。

制御電圧を例えば、デューティ比５０％とした場合は、制御電圧が動作している期間と
停止している期間が半分ずつ存在する。制御電圧が動作している期間は、通常の光検出器
からの出力に基づいた制御電圧により制御される。しかし、制御電圧が停止している期間
に制御電圧を出力しないと全体の系が不安定となるので、直前の動作している期間に出力
した制御電圧の最終値を保持して、その電圧を制御電圧とする。これにより、制御電圧が
停止している期間でも、電圧制御水晶発振器を制御することができる。

本発明の実施形態に係る原子発振器の概略構成を示す図である。図１の原子発振器の概略動作を説明するためのタイミングチャートである。本実施形態に係る周波数制御部２の構成を示すブロック図である。図３の周波数制御部の各部の動作を説明するためのタイミングチャートである。本発明の実施例に係る周波数制御部を備えたＣＰＴ方式の原子発振器の構成を示す図である。本発明の実施例に係る周波数制御部を備えた二重共鳴方式の原子発振器の構成を示す図である。従来の原子発振器の概略構成を示すブロック図である。水晶発振器と原子発振器のτ秒平均時間による短期安定度の違いを示す図である。

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は本発明の実施形態に係る原子発振器の概略構成を示す図である。この原子発振器は、共鳴光とマイクロ波を利用した二重共鳴法、又は２種類の共鳴光による量子干渉効果を利用したＣＰＴ法により、光吸収特性を利用して発振周波数を制御する原子発振器であって、電圧制御水晶発振器１の出力信号を所定の周波数により変調して、変調された信号をガスセルに封入された気体原子の遷移周波数に逓倍する周波数合成逓倍部４と、光源と、該光源から出射された光の波長により光の吸収量を変化させるガスセルと、ガスセルから透過する光を検出する光検出器と、を備えた原子共鳴部３と、光検出器の出力レベルに基づいて中心波長を制御し、光検出器の出力を検波して二重共鳴またはＥＩＴ状態を検出することにより電圧制御水晶発振器１の出力周波数を制御する周波数制御部２と、を備え、周波数制御部２は、電圧制御水晶発振器１の発振周波数を制御する制御電圧Ｖｃを、所定の周期又はデューティ比で間欠的に出力するように構成した。
即ち、二重共鳴方式又はＣＰＴ方式の原子発振器は、大きく分けて周波数合成逓倍部４、原子共鳴部３、及び周波数制御部２により構成されている。従来の周波数制御部では、周波数制御を積分器等を使用したアナログ回路により構成して、周波数の制御を連続的に行なっていた。その結果、速い動きの領域での短期安定度が水晶発振器の特性より劣るといった問題があった。そこで本実施形態では、電圧制御水晶発振器１の発振周波数を制御する制御電圧Ｖｃを、所定の周期又はデューティ比で間欠的に出力するように構成した。これにより、τ秒平均時間の短い期間における短期安定度を改善することができる。

図２は図１の原子発振器の概略動作を説明するためのタイミングチャートである。本実
施形態の周波数制御部２は、τ秒平均時間がτ０の時間帯で、例えば、デューティ比５０
％の場合、停止と動作の期間がτ０で半分ずつ存在する。そのときの制御電圧Ｖｃは、動
作期間では周波数制御部２から出力される制御電圧Ｖｃがそのまま出力され、停止期間で
は直前の制御電圧Ｖａが保持される。従って、電圧制御水晶発振器１は、動作期間では周
波数制御部２により出力される制御電圧Ｖｃで制御され、停止期間では制御電圧Ｖａで制
御される。
即ち、制御電圧Ｖｃを例えば、デューティ比５０％で制御する場合は、τ秒平均時間が
τ０時間の間で、制御電圧Ｖｃが動作する期間と停止する期間が半分ずつ存在する。制御
電圧が動作する期間は、通常の制御電圧Ｖｃにより制御される。しかし、制御電圧が停止
する期間に制御電圧を出力しないと全体の系が不安定となるので、直前の動作期間に出力
した制御電圧の最終値Ｖａを保持して、その電圧を制御電圧とする。これにより、制御電
圧が停止している期間でも、電圧制御水晶発振器１を制御することができる。

図３は本実施形態に係る周波数制御部２の構成を示すブロック図である。周波数制御部
２は、光検出器の出力信号Ｖｐｄをデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器１２と、制御電
圧を所定の周期又はデューティ比で間欠的に出力するタイミングを生成するタイマ（制御
周期生成手段）１３と、タイマ１３により生成されたタイミングに基づいて出力された制
御電圧Ｖｃをアナログ電圧に変換するＤ／Ａ変換器１０と、タイマ１３のタイミングに基
づいて、パワーダウンする期間を指示した信号ＰＷＤＮを出力するＩＯ（パワーダウン生
成部）１４と、全体の動作を制御するＣＰＵ１１と、を備え、ＩＯ１４は、少なくとも周
波数合成逓倍部４、又は／及び、原子共鳴部３をパワーダウンするように構成されている
。
即ち、周波数変動の速い成分に関わる領域（図８のτ０以下の期間）での短期安定度を
改善するためには、制御電圧Ｖｃを所定の周期又はデューティ比で間欠的に出力するよう
に構成しなければならない。これを回路的に実現するには、回路をデジタル化する必要が
ある。そこで本実施形態では、周波数制御部２をデジタル化するために、光検出器の出力
信号Ｖｐｄをデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器１２を備える。そして、デジタル化し
た信号に基づいて、ＣＰＵ１１がタイマ１３のタイミングに基づいて制御電圧Ｖｃを間欠
的に出力する。また、制御電圧が停止されている期間は、周波数制御動作は無効であるの
で、全ての回路を動作させる必要はない。従って、その無効期間には周波数合成逓倍部４
、又は／及び、原子共鳴部３をパワーダウンするように構成する。これにより、短期安定
度の改善を回路的に実現できると共に、回路の消費電力を削減することができる。

また、原子発振器の種類又は使用期間により特性が変化してくる。従って、制御信号Ｖ
ｃの周期とデューティ比も、その特性に合わせて設定することが好ましい。そこで本実施
形態では、タイマ１３により生成するタイミングを変更可能とした。これにより、原子発
振器の種類又は使用期間に最適な制御信号の周期とデューティ比を設定することができる
。

図４は図３の周波数制御部の各部の動作を説明するためのタイミングチャートである。
このタイミングチャートでは、停止期間（動作期間）の周期がτ０であり、そのデューテ
ィ比を５０％として表している。上から順に、原子発振器回路全体の消費電流Ｉｃｃを表
し、回路が制御動作している期間をＰａｃｔ、回路が制御動作を停止し、パワーダウンし
ている期間をＰｓｌｅｅｐと呼ぶ。次が、タイマ１３から出力されるタイミング信号を表
し、τ０／２の周期で発生される。次が、ＩＯ１４から出力されるパワーダウン信号ＰＷ
ＤＮを表す。動作と記された期間ではパワーダウンを実行し、停止と記された期間ではパ
ワーダウンを停止する。次に、図示しない光検出器からの信号Ｖｐｄが有効か無効かを表
示している。次に、ＣＰＵ１１から出力される制御信号ＤＡＯＵＴの有効期間を表示して
いる。次に、Ｄ／Ａ変換器１０から出力される制御電圧Ｖｃの波形を表している。

次に期間τ０での動作について説明する。例えば、タイマ１３からｔ１が出力されると
、ＣＰＵ１１は割り込み処理が実行されて、信号ＤＡＯＵＴを無効にする。その結果、Ｄ
／Ａ変換器１０から出力される制御電圧Ｖｃは、直前の期間の最終電圧Ｖａを保持したま
ま出力する。また、光検出器出力Ｖｐｄはその期間無効であるので、ＣＰＵ１１はその期
間、光検出器出力Ｖｐｄを無視する。また、この期間では、パワーダウンを行なう期間で
あるので、消費電流ＩｃｃはＰｓｌｅｅｐとなって低下する。尚、Ｐｓｌｅｅｐはゼロと
いう意味ではなく、定常の動作電流から低下するという意味である。次に、タイマ１３か
らｔ２が出力されると、ＣＰＵ１１は割り込み処理が実行されて、信号ＤＡＯＵＴを有効
にする。その結果、Ｄ／Ａ変換器１０から出力される制御電圧Ｖｃをそのまま出力する。
また、光検出器出力Ｖｐｄはその期間有効であるので、ＣＰＵ１１はその期間、光検出器
出力Ｖｐｄを検出する。また、この期間では、パワーダウンを停止する期間であるので、
消費電流ＩｃｃはＰａｃｔとなって上昇する。次に、タイマ１３からｔ３が出力されると
、ｔ１と同じ動作を繰り返す。

図５は本発明の実施例に係る周波数制御部を備えたＣＰＴ方式の原子発振器の構成を示
す図である。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。この実施例では、
パワーダウンモードのときは、電源Ｖｉｎを電源制御回路２４によりＯＮ／ＯＦＦしてＶ
Ｄに供給する構成とした。この原子発振器５０は、電圧制御水晶発振器１の出力信号を低
周波発振器２３の周波数で位相変調器２２により位相変調して、位相変調された信号をガ
スセル１７に封入された気体原子のマイクロ波遷移周波数の１／２の周波数に逓倍する逓
倍器２１により構成された周波数合成逓倍部４と、中心波長制御回路２０により中心波長
が設定されたレーザ光源１８と、レーザ光源１８から出射された光の波長により光の吸収
量を変化させるガスセル１７と、ガスセル１７から透過する光を検出するＰＤ１６と、を
備えた原子共鳴部３と、ＰＤ１６の出力信号Ｖｐｄをデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換
器１２と、全体の動作を制御するＣＰＵ１１と、制御電圧Ｖｃを所定の周期又はデューテ
ィで間欠的に出力するタイミングを生成するタイマ１３と、タイマ１３により生成された
タイミングＩｎｔ０に基づいて出力された制御電圧ＤＡＯＵＴをアナログ電圧に変換する
Ｄ／Ａ変換器１０と、タイマ１３のタイミングに基づいて、パワーダウンする期間を指示
した信号を出力するＩＯ１４と、低周波発振器２３の低周波信号（変調信号）２８をデジ
タル信号に変換するＡ／Ｄ変換器１５と、を備えた周波数制御部２と、により構成されて
いる。尚、ガスセル１７は温度制御部１９により一定の温度に制御される。また、ＩＯ１
４からの出力信号ＰＷＤＮ２５は、電源制御回路２４をＯＮ／ＯＦＦ制御する。従って、
この実施例では、パワーダウンモードにおいて、原子共鳴部３のＰＤ１６、レーザ光源１
８、及び中心波長制御回路２０の電源ＶＤがＯＦＦとなる。また、周波数合成逓倍部４の
位相変調器２２及び逓倍器２１の電源ＶＤがＯＦＦとなる。また、低周波信号（変調信号
）２８を周波数制御部２から周波数合成逓倍部４の位相変調器２２に供給するように構成
してもよい。

図６は本発明の実施例に係る周波数制御部を備えた二重共鳴方式の原子発振器の構成を
示す図である。同じ構成要素には図５と同じ参照番号を付して説明する。図６が図５と異
なる点は、逓倍器２１より遷移周波数のマイクロ波をガスセル１７に入力した点と、レー
ザ光源１８がルビジウムランプ２６に代わり、中心波長制御回路２０がランプ励振回路２
７に変更となった点である。その他は図５と同様であるので説明を省略する。

１電圧制御水晶発振器、２周波数制御部、３原子共鳴部、４周波数合成逓倍部
、１０Ｄ／Ａ変換器、１１ＣＰＵ、１２Ａ／Ｄ変換器、１３タイマ、１４ＩＯ
、１５Ａ／Ｄ変換器、１６ＰＤ、１７ガスセル、１８レーザ光源、１９温度制
御部、２０中心波長制御回路、２１逓倍器、２２位相変調器、２３低周波発振器
、２４電圧制御回路、２５ＰＷＤＮ信号、２６ランプ、２７ランプ励振回路、５
０ＣＰＴ方式原子発振器、５１二重共鳴方式原子発振器

Claims

共鳴光とマイクロ波を利用した二重共鳴法、又は２種類の共鳴光による量子干渉効果を利用したＣＰＴ法により、光吸収特性を利用して発振周波数を制御する原子発振器であって、
光源と、該光源から出射された光の波長により光の吸収量を変化させるガスセルと、前記ガスセルから透過する光を検出する光検出手段と、を備えた原子共鳴部と、
電圧制御水晶発振器の出力信号を所定の周波数により変調して、該変調された信号を前記ガスセルに封入された気体原子の遷移周波数に逓倍する周波数合成逓倍部と、
前記光検出手段の出力レベルに基づいて中心波長を制御し、該光検出手段の出力を検波して二重共鳴またはＥＩＴ状態を検出することにより前記電圧制御水晶発振器の出力周波数を制御する周波数制御手段と、を備え、
前記周波数制御手段は、前記電圧制御水晶発振器の発振周波数を制御する制御電圧を、所定の周期又はデューティ比で間欠的に出力するように構成され、
前記周波数制御手段は、前記光検出手段の出力信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換手段と、前記制御電圧を所定の周期又はデューティ比で間欠的に出力するタイミングを生成する制御周期生成手段と、該制御周期生成手段により生成されたタイミングに基づいて出力された制御電圧をアナログ電圧に変換するＤ／Ａ変換手段と、前記制御周期生成手段のタイミングに基づいて、パワーダウンする期間を指示した信号を出力するパワーダウン生成部と、を備え、
前記パワーダウン生成部は、前記周波数合成逓倍部と前記原子共鳴部のうち少なくとも一方がパワーダウンするように構成されていることを特徴とする原子発振器。
前記周波数制御手段は、前記制御周期生成手段により生成するタイミングを変更可能としたことを特徴とする請求項１に記載の原子発振器。
前記周波数制御手段は、前記制御周期生成手段により生成されたタイミングに基づいて出力された制御電圧が停止している期間は、直前の制御電圧が動作している期間の最終値を保持して出力することを特徴とする請求項１又は２に記載の原子発振器。