JP6060568B2 - ガスセルユニット、原子発振器および電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、ガスセルユニット、原子発振器および電子機器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の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１参照）。
このような原子発振器は、アルカリ金属を緩衝ガスとともに封入したガスセルと、ガスセル内のアルカリ金属を励起する光を出射する発光素子と、ガスセルを透過した光を検出する受光素子とを備える。
このような原子発振器では、ガスセル内のアルカリ金属原子のエネルギー遷移に基づく信号を高精度に検出するため、ガスセルを加熱することにより、ガスセル内のアルカリ金属をガス状に保つ。

ここで、一般に、ガスセル内において、アルカリ金属は、そのすべてがガス化するのではなく、一部が余剰分として液体として存在する。
通常、ガスセルまたはヒーターに対して接触する他の部品への熱の逃げの影響により、ガスセルの温度を完全に均一にすることは不可能であるため、ガスセルには温度の高い部分と低い部分とが生じる。そのため、前述したような余剰分のアルカリ金属は、ガスセルの温度の低い部分に析出（結露）することにより液体となる。

このような余剰分のアルカリ金属原子は、励起光の通過領域に存在すると、励起光を遮ってしまい、その結果、原子発振器の発振特性の低下を招くこととなる。
そこで、従来では、特許文献１に記載されているように、励起光に対する透過性を有する透明電極材料で構成された膜状の発熱抵抗体を、ガスセルの励起光が入射・出射する１対の窓部にそれぞれ設け、ガスセルの各窓部の温度を高めることが行われている。

しかし、従来のガスセルでは、ガスセルの小型化に伴い、ガスセルの各窓部と他の部分との温度差が小さくなり、ガスセルの各窓部に対する余剰分のアルカリ金属原子の析出を防止することが難しいという問題があった。
これは、ガスセルの各窓部と他の部分との温度差が小さくなるに従い、ガスセルまたはヒーターに対して接触する他の部品への熱の逃げの影響が相対的に大きくなることによるものと考えられる。

米国特許出願公開第２００６／００２２７６号明細書

本発明の目的は、ガスセルを小型化しても、ガスセルの各窓部に金属原子が結露するのを防止することができるガスセルユニットを提供すること、また、かかるガスセルユニットを備え、優れた発振特性を有する原子発振器を提供すること、さらに、かかる原子発振器を備え、信頼性に優れる電子機器を提供することにある。

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
形態または適用例として実現することが可能である。
［適用例１］
本発明のガスセルユニットは、筒状をなす本体部と、前記本体部の両端の開口を封鎖する光透過性の１対の窓部とを有し、ガス状の金属原子が封入されるガスセルと、前記各窓部に設けられた光透過性の発熱抵抗体と、を備え、前記本体部には、放熱性を高める放熱部が設けられており、前記放熱部は、前記本体部の外表面に黒色または暗色に着色された着色部を含んで構成されており、前記着色部は、前記１対の窓部間を結ぶ線分に沿った方向における前記本体部の中央部に偏在している、ことを特徴とする。

このように構成されたガスセルユニットによれば、放熱部によりガスセルの本体部が放
熱されるので、ガスセルの各窓部の温度を本体部の温度よりも低くし、かつ、その温度差
を大きくすることができる。
そのため、ガスセルを小型化しても、ガスセルの各窓部に金属原子が結露するのを防止
することができる。
またガスセルの本体部を着色部の熱輻射により放熱することができる。そのため、ガスセルを設置する雰囲気が減圧状態であっても、ガスセルの本体部を放熱することができる。
更に着色部による放熱がガスセルの各窓部に影響するのを防止することができる。

［適用例２］
本発明のガスセルユニットでは、前記放熱部は、前記本体部の外表面に形成された複数の凹部または凸部を含んで構成されていることが好ましい。
これにより、ガスセルの本体部の外表面の表面積を大きくして、ガスセルの本体部の放熱性を高めることができる。

［適用例３］
本発明のガスセルユニットでは、前記放熱部の前記各凹部または前記各凸部は、前記１対の窓部間を結ぶ線分に対して垂直な方向に沿って延びる形状をなすことが好ましい。
このような形状の凹部または凸部を有する放熱部は、複数の板状部材を積層してガスセルの本体部を製造することにより比較的簡単に形成することができる。また、放熱部が放熱フィンを有するような形状をなすため、放熱部の放熱性を高めることができる。

［適用例４］
本発明のガスセルユニットでは、前記ガスセルを収納する筐体を有し、
前記筐体内が減圧されていることが好ましい。
これにより、筐体の外部とガスセルとの間の熱干渉を防止または抑制し、ガスセル内を
安定して所定温度に制御することができる。
［適用例５］
本発明のガスセルユニットでは、前記放熱部は、前記１対の窓部間を結ぶ線分に沿った
方向における前記本体部の中央部に偏在していることが好ましい。
これにより、放熱部による放熱がガスセルの各窓部に影響するのを防止することができ
る。

［適用例６］
本発明の原子発振器は、本発明のガスセルユニットと、
前記ガスセル内の前記ガス状の金属原子を励起する励起光を出射する発光素子と、
前記ガスセルを透過した前記励起光を検出する受光素子と、を備えることを特徴とする。
これにより、発振特性に優れた原子発振器を提供することができる。
［適用例７］
本発明の電子機器は、本発明の原子発振器を備えることを特徴とする。
これにより、信頼性に優れた電子機器を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る原子発振器の概略構成を示す断面図である。 図１に示す原子発振器の制御系を説明するためのブロック図である。 図１に示す原子発振器に備えられたガスセル内のアルカリ金属のエネルギー状態を説明するための図である。 図１に示す原子発振器に備えられた発光素子および受光素子について、発光素子からの２つの光の周波数差と、受光素子の検出強度との関係を示すグラフである。 図１に示す原子発振器に備えられたガスセルユニットを示す斜視図である。 本発明の第２実施形態に係るガスセルユニットを示す斜視図である。 本発明の第３実施形態に係るガスセルユニットを示す斜視図である。 ＧＰＳ衛星を利用した測位システムに本発明の電子機器を用いた場合の概略構成を示す図である。 本発明の原子発振器を用いたクロック伝送システムの一例を示す概略構成図である。

以下、本発明の原子発振器を添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
なお、以下では、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一例として説明するが、本発明は、これに限定されるものでななく、二重共鳴現象を利用した原子発振器にも適用可能である。
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る原子発振器の概略構成を示す断面図、図２は、図１に示す原子発振器の制御系を説明するためのブロック図、図３は、図１に示す原子発振器に備えられたガスセル内のアルカリ金属のエネルギー状態を説明するための図、図４は、図１に示す原子発振器に備えられた発光素子および受光素子について、発光素子からの２つの光の周波数差と、受光素子の検出強度との関係を示すグラフ、図５は、図１に示す原子発振器に備えられたガスセルユニットを示す斜視図である。

なお、図１では、説明の便宜上、互いに直交する３つの軸として、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸を図示しており、その図示された各矢印の先端側を「＋側」、基端側を「−側」とする。また、以下では、説明の便宜上、Ｘ軸に平行な方向を「Ｘ軸方向」、Ｙ軸に平行な方向を「Ｙ軸方向」、Ｚ軸に平行な方向を「Ｚ軸方向」といい、また、＋Ｚ方向側（図１の上側）を「上」、−Ｚ方向側（図１の下側）を「下」という。

図１に示す原子発振器１は、ガスセル２と、発光素子３と、受光素子４と、ヒーター６と、レンズ１０と、減光フィルター１１と、ペルチェ素子１２と備え、これらが本体９に直接的または間接的に支持されている。ここで、ガスセル２およびヒーター６は、ユニット化されたガスセルユニット２０に含まれる。また、このガスセルユニット２０は、ガスセル２に設けられた放熱部２４を含む。
また、この原子発振器１は、図２に示すように、温度センサー７と、コイル８と、制御部５とを備える。なお、温度センサー７およびコイル８も本体９に直接的または間接的に支持されているが、図１では、説明の便宜上、これらの図示を省略している。

まず、原子発振器１の原理を簡単に説明する。
原子発振器１では、ガスセル２の内部空間Ｓに、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Ｇ（金属原子）が封入されている。
アルカリ金属は、図３に示すように、３準位系のエネルギー準位を有しており、エネルギー準位の異なる２つの基底状態（基底状態１、２）と、励起状態との３つの状態をとり得る。ここで、基底状態１は、基底状態２よりも低いエネルギー状態である。

このようなガス状のアルカリ金属に対して周波数の異なる２種の共鳴光１、２を前述したようなガス状のアルカリ金属に照射すると、共鳴光１の周波数ω１と共鳴光２の周波数ω２との差（ω１−ω２）に応じて、共鳴光１、２のアルカリ金属における光吸収率（光透過率）が変化する。
そして、共鳴光１の周波数ω１と共鳴光２の周波数ω２との差（ω１−ω２）が基底状態１と基底状態２とのエネルギー差に相当する周波数に一致したとき、基底状態１、２から励起状態への励起がそれぞれ停止する。このとき、共鳴光１、２は、いずれも、アルカリ金属に吸収されずに透過する。このような現象をＣＰＴ現象または電磁誘起透明化現象（ＥＩＴ：Electromagnetically Induced Transparency）と呼ぶ。

発光素子３は、ガスセル２に向けて、前述したような周波数の異なる２種の光（共鳴光１および共鳴光２）を出射する。
例えば、発光素子３が共鳴光１の周波数ω１を固定し、共鳴光２の周波数ω２を変化させていくと、共鳴光１の周波数ω１と共鳴光２の周波数ω２との差（ω１−ω２）が基底状態１と基底状態２とのエネルギー差に相当する周波数ω０に一致したとき、受光素子４の検出強度は、図４に示すように、急峻に上昇する。このような急峻な信号をＥＩＴ信号として検出する。このＥＩＴ信号は、アルカリ金属の種類によって決まった固有値をもっている。したがって、このようなＥＩＴ信号を用いることにより、発振器を構成することができる。

以下、原子発振器１の各部を順次詳細に説明する。
［本体］
本体９は、下側に開口する箱状の箱体９１と、箱体９１の開口を覆う蓋体９２と、上側に開口する箱状の箱体９３と、箱体９３の開口を覆う蓋体９４と、蓋体９２と蓋体９４との間に設けられた枠状の枠体９５とを備える。

箱体９１および蓋体９２は、ガスセル２と、受光素子４と、ヒーター６とを収納する内部空間を有する筐体（以下、単に「第１のパッケージ」という）を構成する。
箱体９１は、例えば、各種金属材料や各種樹脂材料等で構成されている。
蓋体９２は、励起光ＬＬの光路上に設けられ、発光素子３からの励起光に対する透過性を有する。この蓋体９２は、例えば、ガラス等の光透過性を有する材料で構成されている。

また、蓋体９２は、箱体９１に対して公知の接合法により接合されている。また、箱体９１と蓋体９２との接合方法としては、気密的に接合されているのが好ましい。この場合、例えば、第１パッケージ内を減圧状態またはアルゴンガス等の希ガスを充填した状態とすることにより、原子発振器１の信頼性を向上させることができる。
特に、第１のパッケージ内は、減圧されていることが好ましい。これにより、第１のパッケージの外部とガスセル２との間の熱干渉を防止または抑制し、ガスセル２内を安定して所定温度に制御することができる。

また、箱体９３および蓋体９４は、発光素子３およびペルチェ素子１２を収納する筐体（以下、単に「第２のパッケージ」という）を構成する。
箱体９３は、例えば、各種金属材料や各種樹脂材料等で構成されている。
蓋体９４は、励起光ＬＬの光路上に設けられ、発光素子３からの励起光に対する透過性を有する。この蓋体９４は、例えば、ガラス等の光透過性を有する材料で構成されている。

また、蓋体９４は、箱体９３に対して公知の接合法により接合されている。また、箱体９３と蓋体９４との接合方法としては、気密的に接合されているのが好ましい。この場合、例えば、第１パッケージ内を減圧状態またはアルゴンガス等の希ガスを充填した状態とすることにより、原子発振器１の信頼性を向上させることができる。
このような第１のパッケージの蓋体９２と第２のパッケージの蓋体９４との間には、枠体９５が設けられ、蓋体９２および蓋体９４は、枠体９５を介して接合されている。かかる接合方法としては、特に限定されず、例えば、紫外線硬化型の接着剤等を用いて接合することができる。

枠体９５は、レンズ１０および減光フィルター１１を保持する第３のパッケージ（以下、単に「第３のパッケージ」という）を構成する。
この枠体９５には、励起光ＬＬの通過する方向に貫通する貫通孔９５１が形成され、この貫通孔９５１内にレンズ１０および減光フィルター１１が設置されている。
より具体的に説明すると、貫通孔９５１は、第１のパッケージ側（ガスセル２側）に設けられた大径部９５１ａと、第２のパッケージ側（発光素子３側）に設けられた小径部９５１ｂと、大径部９５１ａと小径部９５１ｂとの間に設けられた中間部９５１ｃとを有する。

大径部９５１ａ内には、減光フィルター１１が設けられ、中間部９５１ｃ内には、レンズ１０が設けられている。ここで、中間部９５１ｃは、大径部９５１ａよりも径が小さく、小径部９５１ｂよりも径が大きい。そのため、中間部９５１ｃの内壁と大径部９５１ａおよび小径部９５１ｂの内壁との間には、それぞれ、段差が形成されている。そして、減光フィルター１１は、中間部９５１ｃの内壁と大径部９５１ａの内壁との間に形成された段差に当接することにより枠体９５に対して光軸ａに平行な方向（Ｚ軸方向）での位置決めがなされている。また、レンズ１０は、中間部９５１ｃの内壁と小径部９５１ｂの内壁との間に形成された段差に当接することにより枠体９５に対して光軸ａに平行な方向（Ｚ軸方向）での位置決めがなされている。
このような枠体９５の構成材料としては、特に限定されないが、熱伝導率の低い材料、具体的には、熱伝導率が０．５（Ｗ・ｍ^−１・ｋ^−１）以下の材料を用いることが好ましい。これにより、第３パッケージの断熱性により第１パッケージと第２パッケージとを熱的に分離することができる。その結果、原子発振器１の信頼性を高めることができる。

例えば、枠体９５を構成する熱伝導率の低い材料としては、特に限定されないが、ポリエチレン、エチレン−酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）等のポリオレフィン、アクリル系樹脂、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体（ＡＢＳ樹脂）、アクリロニトリル−スチレン共重合体（ＡＳ樹脂）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエーテル、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、スチレン系、ポリオレフィン系、ポリ塩化ビニル系、ポリウレタン系、ポリエステル系、ポリアミド系、ポリブタジエン系、トランスポリイソプレン系、フッ素ゴム系、塩素化ポリエチレン系等の各種熱可塑性エラストマー、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル、シリコーン樹脂、ポリウレタン等、またはこれらを主とする共重合体、ブレンド体、ポリマーアロイ等が挙げられ、これらのうちの１種または２種以上を組み合わせて（例えば２層以上の積層体として）用いることができる。

［ガスセル］
ガスセル２は、内部空間Ｓを有する。この内部空間Ｓ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Ｇが封入されている。
このガスセル２は、柱状の貫通孔２１１を有する本体部２１と、貫通孔２１１の一方の開口を封鎖する窓部２２と、貫通孔２１１の他方の開口を封鎖する窓部２３とを有する。これにより、内部空間Ｓが形成される。

本実施形態では、本体部２１の貫通孔２１１は、円柱状をなす。そのため、貫通孔２１１の横断面（光軸ａに対して垂直な方向での断面）、すなわち、内部空間Ｓの横断面は、円形をなす。なお、貫通孔２１１の横断面形状は、円形に限定されず、楕円形、四角形等の多角形等であってもよい。
この本体部２１を構成する材料は、特に限定されず、金属材料、樹脂材料等であってもよく、窓部２２、２３と同様にガラス材料、水晶等であってもよい。

このような本体部２１の貫通孔２１１の一方（上側）の開口を覆うように窓部２２が設けられ、貫通孔２１１の他方（下側）の開口側を覆うように窓部２３が設けられている。これにより、貫通孔２１１の両端開口が封鎖される。
また、窓部２２、２３は、本体部２１に対して気密的に接合されている。これにより、内部空間Ｓを気密空間とすることができる。
本体部２１と窓部２２、２３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、接着剤による接合方法、直接接合法、陽極接合法等を用いることができる。

なお、図１、５では、説明の便宜上、本体部２１と窓部２２、２３との境界部が明確に図示されているが、かかる境界部は、例えば、本体部２１と窓部２２、２３とが互いに同一材料で構成され一体化している場合や、本体部２１と窓部２２、２３とが互いに異なる材料で構成されていても拡散している場合、実質的に存在しないか、または、ある幅をもっている。

窓部２２、２３は、それぞれ、前述した発光素子３からの励起光に対する透過性を有している。本実施形態では、窓部２３は、内部空間Ｓへ入射する励起光が透過するものであり、窓部２２は、内部空間Ｓから出射した励起光が透過するものである。
本実施形態では、窓部２２、２３は、それぞれ、板状をなしている。
この窓部２２、２３を構成する材料としては、前述したような励起光に対する透過性を有していれば、特に限定されないが、例えば、ガラス材料、水晶等が挙げられる。

［放熱部］
放熱部２４は、図５に示すように、前述したガスセル２の本体部２１に設けられている。
この放熱部２４は、放熱性を高める機能を有する。これにより、ガスセル２の本体部２１が放熱されるので、ガスセル２の各窓部２２、２３の温度を本体部２１の温度よりも低くし、かつ、その温度差を大きくすることができる。

そのため、ガスセル２を小型化しても、ガスセル２の各窓部２２、２３にアルカリ金属原子が結露するのを防止することができる。
より具体的に説明すると、前述したようなガスセル２は、図１に示すように、各窓部２２、２３に発熱抵抗体６１、６２が設けられているため、各窓部２２、２３の温度が本体部２１の温度よりも高くなる。

ここで、ガスセル２は、窓部２２側の部分が発熱抵抗体６１を介して受光素子４に支持されているが、窓部２３側の部分は発熱抵抗体６２が設けられているだけであるため、窓部２２側の部分と窓部２３側の部分とで熱の逃げやすさが異なることとなる。すなわち、ガスセル２は、窓部２２側の部分と窓部２３側の部分とで熱的に非対称な状態となっている。そのため、窓部２２および窓部２３をそれぞれ均一に所望の温度とすることが難しい。

したがって、各窓部２２、２３と本体部２１との温度差が小さくなりすぎると、例えば、窓部２２または窓部２３の一部が本体部２１の温度よりも小さくなってしまい、窓部２２または窓部２３にアルカリ金属原子が結露してしまう。
そこで、本発明では、ガスセルの本体部２１に放熱性を高める放熱部２４を設けた。これにより、ガスセル２を小型化しても、本体部２１の温度を各窓部２２、２３の各部の温度よりも低くすることができる。

放熱部２４は、本体部２１の外表面に黒色または暗色に着色された着色部で構成されている。これにより、ガスセル２の本体部２１を着色部の熱輻射により放熱することができる。そのため、ガスセル２を設置する雰囲気、すなわち前述した第１のパッケージ内が減圧状態であっても、ガスセル２の本体部２１を放熱することができる。
この放熱部２４（着色部）は、１対の窓部２２、２３間を結ぶ線分に沿った方向、すなわち光軸ａに平行な方向（Ｚ軸方向）における本体部２１の中央部に偏在している。言い換えると、放熱部２４は、光軸ａに平行な方向における本体部２１の中央部に設けられ、かつ、光軸ａに平行な方向における本体部２１の両端部には設けられていない。これにより、放熱部２４（着色部）による放熱がガスセル２の各窓部２２、２３に影響するのを防止することができる。すなわち、放熱部２４による放熱により各窓部２２、２３の温度が低下するのを防止または抑制することができる。これにより、窓部２２、２３の温度が不均一になるのを防止または抑制することができきる。

本実施形態では、放熱部２４と窓部２２との間の距離と、放熱部２４と窓部２３との間の距離とが等しい。なお、放熱部２４と窓部２２との間の距離と、放熱部２４と窓部２３との間の距離とが異なっていてもよい。
この放熱部２４は、帯状をなし、ガスセル２の本体部２１の全周に亘って形成されている。これにより、ガスセル２の本体部２１の周方向における各部の温度が不均一となるのを防止または抑制することができる。

また、ガスセル２の本体部２１の高さ（内部空間ＳのＺ軸方向での長さ）をＬ１とし、放熱部２４の幅（Ｚ軸方向での長さ）をＬ２としたとき、Ｌ１＞Ｌ２であればよいが、Ｌ２／Ｌ１が、１／６以上１／２以下であるのが好ましく、１／４以上１／３以下であるのがより好ましい。これにより、放熱部２４（着色部）による放熱がガスセル２の各窓部２２、２３に影響するのを防止しつつ、放熱部２４により本体部２１を効率的に放熱することができる。

これに対し、Ｌ２／Ｌ１が小さすぎると、ガスセル２の大きさや放熱部２４の構成材料等によっては、放熱部２４による本体部２１の放熱が不足する場合がある。一方、Ｌ２／Ｌ１が大きすぎると、ガスセル２の大きさや放熱部２４の構成材料等によっては、放熱部２４（着色部）による放熱がガスセル２の各窓部２２、２３に影響しやすくなる傾向を示す。
このような放熱部２４（着色部）の構成材料としては、赤外域での輻射率が高い材料であれば、特に限定されないが、例えば、黒色塗料、暗色塗料等が挙げられる。

また、放熱部２４の放射率は、ガスセル２の本体部２１の放射率よりも高ければよいが、０．８以上１以下であることが好ましい。
また、放熱部２４は、赤外域での輻射率を高める観点から、黒色であることが好ましい。
また、放熱部２４の形成方法としては、特に限定されないが、例えば、プラズマＣＶＤ、熱ＣＶＤのような化学蒸着法（ＣＶＤ）、真空蒸着等の乾式メッキ法、ゾル・ゲル法等を用いて形成することができる。

［発光素子］
発光素子３は、ガスセル２中のアルカリ金属原子を励起する励起光を出射する機能を有する。
より具体的には、発光素子３は、前述したような周波数の異なる２種の光（共鳴光１および共鳴光２）を出射するものである。

共鳴光１の周波数ω１は、ガスセル２中のアルカリ金属を前述した基底状態１から励起状態に励起し得るものである。
また、共鳴光２の周波数ω２は、ガスセル２中のアルカリ金属を前述した基底状態２から励起状態に励起し得るものである。
この発光素子３としては、前述したような励起光を出射し得るものであれば、特に限定されないが、例えば、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）等の半導体レーザー等を用いることができる。

［ペルチェ素子］
ペルチェ素子１２は、発光素子３を加熱または冷却する機能を有する。これにより、発光素子３が所望の特性の励起光ＬＬを出射することができ、原子発振器１の信頼性を向上させることができる。
また、ペルチェ素子１２に流れる電流の向きを制御することにより、発光素子３側の面を発熱面と吸熱面とで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３を所望の温度（例えば、３０℃程度）に温調することができる。

なお、発光素子３の温度を検知する温度センサーを設け、かかる温度センサーの検知結果に基づいてペルチェ素子１２の駆動を制御することができる。
また、図示しないが、ペルチェ素子１２は、後述する制御部５に電気的に接続されている。
なお、ペルチェ素子１２は、省略してもよい。

［受光素子］
受光素子４は、ガスセル２の内部空間Ｓを透過した励起光ＬＬ（共鳴光１、２）の強度を検出する機能を有する。
この受光素子４は、励起光ＬＬを受光する受光面４１を有する。
この受光素子４としては、上述したような励起光を検出し得るものであれば、特に限定されないが、例えば、太陽電池、フォトダイオード等の光検出器（受光素子）を用いることができる。

［レンズ］
レンズ１０は、ガスセル２と発光素子３との間の光軸ａ上に設けられている。
このレンズ１０は、励起光ＬＬを平行光とする機能を有する。これにより、励起光ＬＬがガスセル２の内壁（貫通孔２１１の壁面）で反射するのを簡単かつ確実に防止することができる。

［減光フィルター］
減光フィルター１１（ＮＤフィルター）は、発光素子３とガスセル２との間の光路上に設けられている。
この減光フィルター１１は、ガスセル２に入射する励起光ＬＬの強度を調整（減少）させる。これにより、発光素子３の出力が大きい場合でも、ガスセル２に入射する励起光を所望の光量とすることができる。
なお、この減光フィルター１１は、発光素子３の出力が適度である場合、省略することができる。また、減光フィルター１１に加えて、または、減光フィルター１１に代えて、λ／４波長板、偏光板を設置してもよい。

［ヒーター］
ヒーター６は、前述したガスセル２（より具体的にはガスセル２中のアルカリ金属）を加熱する機能を有する。これにより、ガスセル２中のアルカリ金属をガス状に維持することができる。
ヒーター６は、ガスセル２の外表面上に設けられている。

本実施形態では、ヒーター６は、ガスセル２の窓部２２上に設けられた発熱抵抗体６１と、ガスセル２の窓部２３上に設けられた発熱抵抗体６２とで構成されている。これにより、発熱抵抗体６１、６２は、ガスセル２を挟むように設けられている。
このような発熱抵抗体６１、６２は、ガスセル２中のアルカリ金属原子を励起する励起光ＬＬの光路上に配置されている。これにより、ガスセル２の窓部２２、２３の励起光の光路となる部分を効率的に加熱することができる。そのため、ガスセル２の内壁面の励起光の光路となる部分にアルカリ金属原子が析出（結露）するのを防止することができる。その結果、原子発振器１の長寿命化を図ることができる。

発熱抵抗体６１、６２は、それぞれ、通電により発熱する発熱抵抗体で構成されている。また、本実施形態では、発熱抵抗体６１、６２は、それぞれ、ガスセル２中のアルカリ金属原子を励起する励起光に対する透過性を有する。これにより、ガスセル２の励起光の入射部および出射部をそれぞれ効率的に加熱することができる。なお、本実施形態では、励起光は、発熱抵抗体６２を介してガスセル２内に入射され、ガスセル２内から発熱抵抗体６１を介して出射される。
この発熱抵抗体６１、６２は、それぞれ、薄膜状をなしている。このような薄膜状の発熱抵抗体６１、６２は公知の成膜法を用いて簡単かつ高精度に形成することができる。また、発熱抵抗体６１、６２を簡単化および小型化することができる。また、ガスセル２が直接的に加熱される。そのため、ガスセル２を効率的に加熱することができる。

このような発熱抵抗体６１、６２の構成材料としては、前述したように通電により発熱するとともに励起光に対する光透過性を有するものであれば、特に限定されないが、例えば、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、ＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）、Ｉｎ_３Ｏ_３、ＳｎＯ_２、Ｓｂ含有ＳｎＯ_２、Ａｌ含有ＺｎＯ等の酸化物等の透明電極材料を用いるのが好ましく、特にＩＴＯを用いるのが好ましい。

このような透明電極材料は、好適な光透過性を有するとともに、通電により効率的に発熱することができる。
また、発熱抵抗体６１、６２がそれぞれ透明電極材料で構成されていると、発熱抵抗体６１、６２をガスセル２の外表面の励起光の光路となる部分に設けることができる。そのため、ガスセル２の励起光の入射部および出射部を発熱抵抗体６１、６２により効率的に加熱することができる。

発熱抵抗体６１、６２の厚さは、特に限定されないが、例えば、０．１μｍ以上１ｍｍ以下程度である。
また、発熱抵抗体６１、６２の形成は、特に限定されないが、例えば、プラズマＣＶＤ、熱ＣＶＤのような化学蒸着法（ＣＶＤ）、真空蒸着等の乾式メッキ法、ゾル・ゲル法等を用いて形成することができる。
このような発熱抵抗体６１、６２は、後述する制御部５の温度制御回路５２に電気的に接続され、それぞれ通電される。

［温度センサー］
温度センサー７は、発熱抵抗体６１、６２またはガスセル２の温度を検出するものである。前述したような発熱抵抗体６１、６２の発熱量は、この温度センサー７の検出結果に基づいて制御される。これにより、ガスセル２内のアルカリ金属原子を所望の温度に維持することができる。

なお、温度センサー７の設置位置は、特に限定されず、例えば、発熱抵抗体６１または６２上であってもよいし、ガスセル２の外表面上であってもよい。
温度センサー７としては、それぞれ、特に限定されず、サーミスタ、熱電対等の公知の各種温度センサーを用いることができる。
このような温度センサー７は、図示しない配線を介して、後述する制御部５の温度制御回路５２に電気的に接続されている。

［コイル］
コイル８は、通電により、磁場を発生させる機能を有する。これにより、ガスセル２中のアルカリ金属に磁場を印加することにより、アルカリ金属の縮退している異なるエネルギー状態間のギャップを拡げて、分解能を向上させることができる。その結果、原子発振器１の発振周波数の精度を高めることができる。

このコイル８の設置位置は、特に限定されず、図示しないが、例えば、ソレノイド型を構成するようにガスセル２の外周に沿って巻回して設けられていてもよいし、ヘルムホルツ型を構成するように１対のコイルをガスセル２を介して対向させてもよい。
このコイル８は、図示しない配線を介して、後述する制御部５の磁場制御回路５３に電気的に接続されている。これにより、コイル８に通電を行うことができる。
このようなコイル８の構成材料としては、特に限定されないが、例えば、銀、銅、パラジウム、白金、金、または、これらの合金等が挙げられ、これらのうち１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。

［制御部］
制御部５は、発熱抵抗体６１、６２、コイル８および発光素子３をそれぞれ制御する機能を有する。
このような制御部５は、発光素子３の共鳴光１、２の周波数を制御する周波数制御回路５１と、ガスセル２中のアルカリ金属の温度を制御する温度制御回路５２と、ガスセル２に印加する磁場を制御する磁場制御回路５３とを有する。
周波数制御回路５１は、前述した受光素子４の検出結果に基づいて、発光素子３から出射される共鳴光１、２の周波数を制御する。より具体的には、周波数制御回路５１は、前述した受光素子４によって検出された（ω１−ω２）が前述したアルカリ金属固有の周波数ω０となるように、発光素子３から出射される共鳴光１、２の周波数を制御する。

また、温度制御回路５２は、温度センサー７の検出結果に基づいて、発熱抵抗体６１、６２への通電を制御する。これにより、ガスセル２を所望の温度範囲内に維持することができる。ここで、温度センサー７は、ガスセル２の温度を検知する温度検知手段を構成する。
また、磁場制御回路５３は、コイル８が発生する磁場が一定となるように、コイル８への通電を制御する。
また、制御部５は、発光素子３が所定の温度となるように、ペルチェ素子１２を制御する機能をも有する。

以上説明したような本実施形態のガスセルユニット２０を備える原子発振器１によれば、放熱部２４によりガスセル２の本体部２１が放熱されるので、ガスセル２の各窓部２２、２３の温度を本体部２１の温度よりも低くし、かつ、その温度差を大きくすることができる。
そのため、ガスセル２を小型化しても、ガスセル２の各窓部２２、２３にアルカリ金属原子が結露するのを防止することができる。
原子発振器１は、優れた発振特性を発揮することができる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
図６は、本発明の第２実施形態に係るガスセルユニットを示す斜視図である。
本実施形態に係るガスセルユニットは、放熱部の構成が異なる以外は、前述した第１実施形態に係るガスセルユニットと同様である。
なお、以下の説明では、第２実施形態のガスセルユニットに関し、前述した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。また、図６において、前述した実施形態と同様の構成については、同一符号を付している。

図６に示すガスセルユニット２０Ａは、ガスセル２Ａと、ヒーター６（発熱抵抗体６１、６２）と、放熱部２５とを備える。
ガスセル２Ａは、本体部２１Ａと、１対の窓部２２、２３とを有する。これにより、内部空間Ｓが形成される。
本体部２１Ａの外表面には、複数（本実施形態では３つ）の凸部２５１が形成されている。この複数の凸部２５１は、放熱部２５を構成する。これにより、ガスセル２Ａの本体部２１Ａの外表面の表面積を大きくして、ガスセル２Ａの本体部２１Ａの放熱性を高めることができる。

本実施形態では、放熱部２５の各凸部２５１は、１対の窓部２２、２３間を結ぶ線分に対して垂直な方向に沿って延びる形状をなす。このような形状の凸部２５１を有する放熱部２５は、複数の板状部材を積層してガスセル２Ａの本体部２１Ａを製造することにより比較的簡単に形成することができる。また、放熱部２５が放熱フィンを有するような形状をなすため、放熱部２５の放熱性を高めることができる。

なお、複数の凸部２５１は、前述した形成方法によるものに限定されず、例えば、内部空間Ｓを形成した後、ドリル加工、ルーター加工、レーザー加工、エッチング加工等を用いて形成してもよい。
また、各凸部２５１は、先端側に向けて幅が漸減している。また、各凸部２５１の横断面形状は、三角形をなしている。なお、各凸部２５１の横断面形状は、三角形に限定されず、例えば、矩形であってもよい。

また、複数の凸部２５１の幅は、互いに等しく形成されている。なお、複数の凸部２５１の幅は、互いに異なっていてもよい。
また、各凸部２５１の高さ（複数の凸部２５１の表面粗さ）は、特に限定されないが、例えば、０．１μｍ以上１０００μｍ以下であるのが好ましく、１００μｍ以上５００μｍ以下であるのがより好ましい。これにより、放熱部２５の放熱性を優れたものとしつつ、複数の凸部２５１を比較的簡単に形成することができる。なお、ここで、「表面粗さ」とは、算術平均で表わされる表面粗度を言い、例えば、ＪＩＳ Ｂ ０６０１に準じて測定することができる。

以上説明したような第２実施形態に係るガスセルユニット２０Ａによっても、ガスセル２Ａを小型化しても、ガスセル２Ａの各窓部２２、２３にアルカリ金属原子が結露するのを防止することができる。
なお、複数の凸部２５１に代えて、本体部の外表面に複数の凹部を形成することによっても、ガスセル２Ａの本体部２１Ａの外表面の表面積を大きくして、ガスセル２Ａの本体部２１Ａの放熱性を高めることができる。また、凸部２５１の数は、２つ以下または４つ以上であってもよい。
また、本実施形態では、放熱部２５が規則的に配置された複数の凸部２５１で構成されている場合を例に説明したが、放熱部がランダムな複数の凹部または凸部で構成されていてもよい。この場合、例えば、サンドブラストにより放熱部を形成することができる。

＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態について説明する。
図７は、本発明の第３実施形態に係るガスセルユニットを示す斜視図である。
本実施形態に係るガスセルユニットは、放熱部の構成が異なる以外は、前述した第１実施形態に係るガスセルユニットと同様である。また、本実施形態のガスセルユニットは、着色部を設けた以外は、前述した第２実施形態に係るガスセルユニットと同様である。

なお、以下の説明では、第３実施形態のガスセルユニットに関し、前述した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。また、図７において、前述した実施形態と同様の構成については、同一符号を付している。
図７に示すガスセルユニット２０Ｂは、ガスセル２Ｂと、ヒーター６（発熱抵抗体６１、６２）と、放熱部２５Ｂとを備える。

ガスセル２Ｂは、本体部２１Ｂと、１対の窓部２２、２３とを有する。これにより、内部空間Ｓが形成される。
本体部２１Ｂの外表面には、複数（本実施形態では３つ）の凸部２５１、２５１Ｂ、２５１が形成されている。この複数の凸部２５１、２５１Ｂ、２５１は、放熱部２５Ｂを構成する。これにより、ガスセル２Ｂの本体部２１Ｂの外表面の表面積を大きくして、ガスセル２Ｂの本体部２１Ｂの放熱性を高めることができる。

本実施形態では、放熱部２５の各凸部２５１、２５１Ｂ、２５１は、１対の窓部２２、２３間を結ぶ線分に対して垂直な方向に沿って延びる形状をなす。このような形状の凸部２５１、２５１Ｂ、２５１を有する放熱部２５Ｂは、複数の板状部材を積層してガスセル２Ｂの本体部２１Ｂを製造することにより比較的簡単に形成することができる。また、放熱部２５Ｂが放熱フィンを有するような形状をなすため、放熱部２５Ｂの放熱性を高めることができる。

特に、３つの凸部２５１、２５１Ｂ、２５１のうちの真ん中の凸部２５１の外表面は、黒色または暗色に着色された着色部で構成されている。これにより、ガスセル２Ｂの本体部２１Ｂを着色部の熱輻射により放熱することができる。
また、着色部である凸部２５１Ｂは、１対の窓部２２、２３間を結ぶ線分に沿った方向における本体部２１Ｂの中央部に偏在している。これにより、放熱部２５Ｂによる放熱がガスセル２Ｂの各窓部２２、２３に影響するのを防止することができる。
以上説明したような第３実施形態に係るガスセルユニット２０Ｂによっても、ガスセル２Ｂを小型化しても、ガスセル２Ｂの各窓部２２、２３にアルカリ金属原子が結露するのを防止することができる。

（電子機器）
以上説明したような原子発振器は、各種電子機器に組み込むことができる。これにより、信頼性に優れた電子機器を提供することができる。
以下、本発明の電子機器について説明する。
図８は、ＧＰＳ衛星を利用した測位システムに本発明の電子機器を用いた場合の概略構成を示す図である。
図８に示す測位システム１００は、ＧＰＳ衛星２００と、基地局装置３００と、ＧＰＳ受信装置４００とで構成されている。

ＧＰＳ衛星２００は、測位情報（ＧＰＳ信号）を送信する。
基地局装置３００は、例えば電子基準点（ＧＰＳ連続観測局）に設置されたアンテナ３０１を介してＧＰＳ衛星２００からの測位情報を高精度に受信する受信装置３０２と、この受信装置３０２で受信した測位情報をアンテナ３０３を介して送信する送信装置３０４とを備える。

ここで、受信装置３０２は、その基準周波数発振源として前述した本発明の原子発振器１を備える電子装置である。このような受信装置３０２は、優れた信頼性を有する。また、受信装置３０２で受信された測位情報は、リアルタイムで送信装置３０４により送信される。
ＧＰＳ受信装置４００は、ＧＰＳ衛星２００からの測位情報をアンテナ４０１を介して受信する衛星受信部４０２と、基地局装置３００からの測位情報をアンテナ４０３を介して受信する基地局受信部４０４とを備える。

図９は、本発明の原子発振器を用いたクロック伝送システムの一例を示す概略構成図である。
図９に示すクロック伝送システム５００は、時分割多重方式のネットワーク内の各装置のクロックを一致させるものであって、Ｎ（Normal）系およびＥ(Emergency)系の冗長構成を有するシステムである。

このクロック伝送システム５００は、Ａ局（上位（Ｎ系））のクロック供給装置（ＣＳＭ：Clock Supply Module）５０１およびＳＤＨ（Synchronous Digital Hierarchy）装置５０２と、Ｂ局（上位（Ｅ系））のクロック供給装置５０３およびＳＤＨ装置５０４と、Ｃ局（下位）のクロック供給装置５０５およびＳＤＨ装置５０６、５０７とを備える。
クロック供給装置５０１は、原子発振器１を有し、Ｎ系のクロック信号を生成する。このクロック供給装置５０１内の原子発振器１は、セシウムを用いた原子発振器を含むマスタークロック５０８、５０９からのより高精度なクロック信号と同期して、クロック信号を生成する。

ＳＤＨ装置５０２は、クロック供給装置５０１からのクロック信号に基づいて、主信号の送受信を行うとともに、Ｎ系のクロック信号を主信号に重畳し、下位のクロック供給装置５０５に伝送する。
クロック供給装置５０３は、原子発振器１を有し、Ｅ系のクロック信号を生成する。このクロック供給装置５０３内の原子発振器１は、セシウムを用いた原子発振器を含むマスタークロック５０８、５０９からのより高精度なクロック信号と同期して、クロック信号を生成する。

ＳＤＨ装置５０４は、クロック供給装置５０３からのクロック信号に基づいて、主信号の送受信を行うとともに、Ｅ系のクロック信号を主信号に重畳し、下位のクロック供給装置５０５に伝送する。
クロック供給装置５０５は、クロック供給装置５０１、５０３からのクロック信号を受信し、その受信したクロック信号に同期して、クロック信号を生成する。

ここで、クロック供給装置５０５は、通常、クロック供給装置５０１からのＮ系のクロック信号に同期して、クロック信号を生成する。そして、Ｎ系に異常が発生した場合、クロック供給装置５０５は、クロック供給装置５０３からのＥ系のクロック信号に同期して、クロック信号を生成する。このようにＮ系からＥ系に切り換えることにより、安定したクロック供給を担保し、クロックパス網の信頼性を高めることができる。

ＳＤＨ装置５０６は、クロック供給装置５０５からのクロック信号に基づいて、主信号の送受信を行う。同様に、ＳＤＨ装置５０７は、クロック供給装置５０５からのクロック信号に基づいて、主信号の送受信を行う。これにより、Ｃ局の装置をＡ局またはＢ局の装置と同期させることができる。
以上、本発明のガスセルユニット、原子発振器および電子機器について、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これらに限定されるものではない。

また、本発明のガスセルユニット、原子発振器および電子機器では、各部の構成は、同様の機能を発揮する任意の構成のものに置換することができ、また、任意の構成を付加することもできる。
また、本発明のガスセルユニット、原子発振器および電子機器は、前述した各実施形態の任意の構成同士を組み合わせるようにしてもよい。

また、前述した実施形態において、本体９の構成は一例であり、本発明は、これに限定されるものではない。例えば、蓋体９２、９４に代えて、励起光の光路に沿って貫通する貫通孔が設けられた部材を設けてもよい。この場合、かかる部材は、光透過性を有しない材料で構成されていてもよい。また、蓋体９２、９４を省略して、箱体９１、９３を直接枠体９５に接合してもよい。

１‥‥原子発振器 ２‥‥ガスセル ２Ａ‥‥ガスセル ２Ｂ‥‥ガスセル ３‥‥発光素子 ４‥‥受光素子 ５‥‥制御部 ６‥‥ヒーター ７‥‥温度センサー ８‥‥コイル ９‥‥本体 １０‥‥レンズ １１‥‥減光フィルター １２‥‥ペルチェ素子 ２０‥‥ガスセルユニット ２０Ａ‥‥ガスセルユニット ２０Ｂ‥‥ガスセルユニット ２１‥‥本体部 ２１Ａ‥‥本体部 ２１Ｂ‥‥本体部 ２２‥‥窓部 ２３‥‥窓部 ２４‥‥放熱部 ２５‥‥放熱部 ２５Ｂ‥‥放熱部 ４１‥‥受光面 ５１‥‥周波数制御回路 ５２‥‥温度制御回路 ５３‥‥磁場制御回路 ６１‥‥発熱抵抗体 ６２‥‥発熱抵抗体 ９１‥‥箱体 ９２‥‥蓋体 ９３‥‥箱体 ９４‥‥蓋体 ９５‥‥枠体 １００‥‥測位システム ２００‥‥ＧＰＳ衛星 ２１１‥‥貫通孔 ２５１‥‥凸部 ２５１Ｂ‥‥凸部 ３００‥‥基地局装置 ３０１‥‥アンテナ ３０２‥‥受信装置 ３０３‥‥アンテナ ３０４‥‥送信装置 ４００‥‥ＧＰＳ受信装置 ４０１‥‥アンテナ ４０２‥‥衛星受信部 ４０３‥‥アンテナ ４０４‥‥基地局受信部 ５００‥‥クロック伝送システム ５０１‥‥クロック供給装置 ５０２‥‥ＳＤＨ装置 ５０３‥‥クロック供給装置 ５０４‥‥ＳＤＨ装置 ５０５‥‥クロック供給装置 ５０６‥‥ＳＤＨ装置 ５０７‥‥ＳＤＨ装置 ５０８‥‥マスタークロック ５０９‥‥マスタークロック ９５１‥‥貫通孔 ９５１ａ‥‥大径部 ９５１ｂ‥‥小径部 ９５１ｃ‥‥中間部 ａ‥‥光軸 Ｇ‥‥アルカリ金属 ＬＬ‥‥励起光 Ｓ‥‥内部空間 ω０‥‥周波数 ω１‥‥周波数 ω２‥‥周波数

Claims (7)

1. 筒状をなす本体部と、前記本体部の両端の開口を封鎖する光透過性の１対の窓部とを有
   し、ガス状の金属原子が封入されるガスセルと、
   前記各窓部に設けられた光透過性の発熱抵抗体と、を備え、
   前記本体部には、放熱性を高める放熱部が設けられており、
   前記放熱部は、前記本体部の外表面に黒色または暗色に着色された着色部を含んで構成
   されており、
   前記着色部は、前記１対の窓部間を結ぶ線分に沿った方向における前記本体部の中央部
   に偏在している、
   ことを特徴とするガスセルユニット。
2. 前記放熱部は、前記本体部の外表面に形成された複数の凹部または凸部を含んで構成さ
   れている請求項１に記載のガスセルユニット。
3. 前記放熱部の前記各凹部または前記各凸部は、前記１対の窓部間を結ぶ線分に対して垂
   直な方向に沿って延びる形状をなす請求項２に記載のガスセルユニット。
4. 前記ガスセルを収納する筐体を有し、
   前記筐体内が減圧されている請求項１ないし３に記載のガスセルユニット。
5. 前記放熱部は、前記１対の窓部間を結ぶ線分に沿った方向における前記本体部の中央部
   に偏在している請求項１ないし４のいずれかに記載のガスセルユニット。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載のガスセルユニットと、
   前記ガスセル内の前記ガス状の金属原子を励起する励起光を出射する発光素子と、
   前記ガスセルを透過した前記励起光を検出する受光素子と、
   を備えることを特徴とする原子発振器。
7. 請求項６に記載の原子発振器を備えることを特徴とする電子機器。

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