JP6627334B2 - 原子発振器および電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、原子発振器に関する。

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。一般に、原子発振器の動作原理は、光およびマイクロ波による二重共鳴現象を利用した方式と、波長の異なる２種類の光による量子干渉効果（ＣＰＴ：Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ Ｔｒａｐｐｉｎｇ）を利用した方式とに大別される。

いずれの方式の原子発振器においても、アルカリ金属をガスセル内に緩衝ガスとともに封入されており、このガスセルに入射した光が、アルカリ金属にどれだけ吸収されたかを反対側に設けられた検出器で検出することによって原子共鳴を検知し、検知された原子共鳴を制御系によって基準信号として出力する。このような原子発振器として、基板上にガスセルを設け、ガスセルを挟んだ両側に光（励起光）の光源と、検出部とが配置されている構成が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

また、ＣＰＴを利用した原子発振器は、二重共鳴現象を利用した原子発振器に比し小型であることから、様々な電子機器へ原子発振器を組み込むことが期待されており、さらなる小型化、低背化が望まれている。

特開２００９−２３１６８８号公報

しかしながら、小型化、低背化を図ることにより、温度干渉による光軸のずれや、ガスセル内の金属原子が外部の磁気の影響を受け易いため発振特性が不安定になってしまうなどの不具合を生じる虞が大きくなってしまう。

本発明の目的は、小型化、低背化を図るとともに、外部磁場の変動などによる磁気の影響や温度干渉による光軸のずれによる発振特性の不安定化を抑制し、安定した発振特性を持続可能な原子発振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〕本適用例の原子発振器は、少なくとも、金属原子が封入されているガスセルと、前記ガスセルの周囲に配置されるコイルと、前記ガスセルと前記コイルとを収容する第１磁気遮蔽体と、前記ガスセルを加熱する加熱素子と、を備える原子発振器であって、前記加熱素子を収容する第２磁気遮蔽体を備えることを特徴とする。

電子部品である加熱素子が発生する磁気は微弱ではあるが、磁気の影響を受けやすいガスセルの近傍に加熱素子が配置されるため、その磁気の影響は無視できない。そこで、本適用例の原子発振器によれば、加熱素子が発生する磁気（磁場の変化）を第２磁気遮蔽体によって遮蔽することができる。すなわち、加熱素子が磁気遮蔽効果を有する材料で形成される第２磁気遮蔽体によって包みこまれることにより、加熱素子からの磁気の漏れを防ぎ、ガスセル内の金属原子への影響を抑制し、原子発振器としての発振特性の安定化を図ることが可能となる。

〔適用例２〕上述の適用例において、前記第１磁気遮蔽体と前記第２磁気遮蔽体とによって挟持される中間部材を備え、前記中間部材は、前記第１磁気遮蔽体および前記第２磁気遮蔽体が有する透磁率より低い透磁率を有していることを特徴とする。

上述の適用例によれば、第２磁気遮蔽体に収容された加熱素子が発生する磁界を、近接する第１磁気遮蔽体へ流れ込む（漏れる）ことが防止され、ガスセル内の金属原子への影響を抑制し、原子発振器としての発振特性の安定化を図ることが可能となる。

〔適用例３〕上述の適用例において、前記中間部材は、前記第１磁気遮蔽体の熱伝導率より高い熱伝導率を有していることを特徴とする。

加熱素子が発生する熱は、第２磁気遮蔽体と、第１磁気遮蔽体と、を介してガスセルへ伝達される。この時、第１磁気遮蔽体と第２磁気遮蔽体とによって挟持される中間部材における熱伝達ロスを抑制しなければならない。そこで、上述の適用例によれば、第１磁気遮蔽体より高い熱伝導率を有する中間部材とすることで、第２磁気遮蔽体から伝達される熱の伝達ロスを低減することができる。

〔適用例４〕上述の適用例において、前記第２磁気遮蔽体は、前記加熱素子を前記第１磁気遮蔽体側に向けて押圧する押圧部を備えていることを特徴とする。

上述の適用例によれば、加熱素子を第２磁気遮蔽体における第１磁気遮蔽体に向いた側（領域）に押圧することで、加熱素子と第２磁気遮蔽体の第１磁気遮蔽体に向いた側（領域）に密着させ、加熱素子が発生する熱を確実に第２磁気遮蔽体の第１磁気遮蔽体に向いた側（領域）に伝達させ、更に中間部材、および第１磁気遮蔽体を介してガスセルに所定の熱を供給し、安定した原子発振器の発振性能を得ることができる。

〔適用例５〕上述の適用例において、前記押圧部と、前記加熱素子と、によって挟持される緩衝部材を備えていることを特徴とする。

上述の適用例によれば、緩衝部材が押圧部を加熱素子に直接接触することを防止し、加熱素子の損傷を防止することができる。

〔適用例６〕上述の適用例において、前記緩衝部材が、前記加熱素子への給電配線が形成された基板であることを特徴とする。

上述の適用例によれば、原子発振器の小型化、部品点数の低減によるコスト低減が図られる。

第１実施形態に係る原子発振器の概略を示す正断面図。 第１実施形態に係る原子発振器の概略を示し、図１に示すＡ−Ａ´部の断面図。 図２に示すＢ部に部分拡大図。 図１および図２に示す原子発振器の概略構成図。 第１実施形態に係る原子発振器のガスセル内におけるアルカリ金属のエネルギー状態を説明するための図。 第１実施形態に係る原子発振器の光射出部（光源）および光検出部について、光射出部（光源）からの２つの光の周波数差と、光検出部での検出強度との関係を示すグラフ。 原子発振器のその他の形態を示す断面図。 図７に示すＣ部の部分拡大図。 第２実施形態に係る電子機器の一例としてＧＰＳ衛星を利用した測位システムの概略構成を示す図。 第３実施形態に係る電子機器の一例としてのクロック伝送システムを示す概略構成図。 第４実施形態に係る移動体の一例としての自動車の構成を示す斜視図。

以下、図面を参照して、本発明に係る実施形態を説明する。

（第１実施形態）
図１および図２は、第１実施形態に係る原子発振器の概略を示し、図１は正断面図、図２は図１に示すＡ−Ａ´部の断面図である。

図１および図２に示す原子発振器１００は、量子干渉効果を利用した原子発振器である。原子発振器１００は、ガスセルユニット１０と、光射出部２０と、ガスセルユニット１０を収納する第１磁気遮蔽体としてのガスセル側磁気遮蔽体４０（以下、セル側遮蔽体４０という）と、を備えている。

ガスセルユニット１０は、ガスセル１１と、ガスセル１１を保持し、後述するヒーターに発生させる熱をガスセル１１に伝導させるガスセル保持部材１２と、ガスセル保持部材１２のＸ軸方向に沿った外周面に巻き付けられるコイル１３と、を備えている。

ガスセル１１は、柱状の貫通孔を有する本体部１１ａと、その貫通孔の両側の開口を１対の窓部１１ｂ，１１ｃによって封鎖することにより、内部空間Ｓが形成される。ガスセル内部空間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が封入されている。

光射出部２０は、柱状の貫通孔を有する本体部２１ａと、その貫通孔の両側の開口を封鎖する１対の蓋部２１ｂ、２１ｃと、により構成される光源収容体２１と、光源収容体２１に収容、固定された光源２２とを有する。光源２２は、ガスセル１１中のアルカリ金属原子を励起する励起光を射出する機能を有する。光源２２は、光源収容体２１の内部に励起光の射出方向（図示矢印の光軸方向Ｒ）に沿ってガスセル１１と対向するように配置され、本体部２１ａの励起光の射出方向と交差する領域に貫通孔２１ｄが設けられており、この貫通孔２１ｄを通って光源２２からガスセル１１に向かって励起光が射出される。

射出された励起光は、ガスセル保持部材１２と、光軸方向Ｒと、が交差する部分に形成された貫通孔１２ａ，１２ｂのうち、光射出部２０側の貫通孔１２ａに配置された光学部品１４，１５を透過する。本実施形態では、光源２２側からガスセル１１側へ、光学部品１４，１５の順に配置されている。光学部品１４は、λ／４波長板である。これにより、光源２２からの励起光ＬＬを直線偏光から円偏光（右円偏光または左円偏光）に変換することができる。光学部品１５は、減光フィルター（ＮＤフィルター）である。これにより、ガスセル１１に入射する励起光の強度を調整（減少）させることができる。そのため、光源２２の出力が大きい場合でも、ガスセル１１に入射する励起光を所望の光量とすることができる。

ガスセル保持部材１２の光軸方向Ｒと並行する外周部１２ｃには、外周部１２ｃに沿ってコイル１３が巻き付けられている。コイル１３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１１中のアルカリ金属に磁場を印加することにより、ゼーマン分裂により、アルカリ金属の縮退している異なるエネルギー準位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１００の発振周波数の精度を高めることができる。なお、コイル１３が発生する磁場は、直流磁場または交流磁場のいずれかの磁場であってもよいし、直流磁場と交流磁場とを重畳させた磁場であってもよい。また、このコイル１３は、ガスセル１１を囲むように設けられたソレノイドコイルであってもよいし、ガスセル１１を挟むように設けられたヘルムホルツコイルであってもよい。

ガスセル１１を挟んで光射出部２０と光軸方向Ｒに沿って対向する位置に光検出部３０を備えている。光検出部３０は、ガスセル１１内を透過した後述する励起光ＬＬ（共鳴光１、共鳴光２）の強度を検出する機能を有する。本実施形態では、光検出部３０は、接着剤３１を介してガスセル保持部材１２に接合されている。ここで、接着剤３１としては、公知の接着剤を用いることができる。また、この光検出部３０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。

上述したガスセルユニット１０と、光検出部３０と、はセル側遮蔽体４０の内部に収容されている。セル側遮蔽体４０は、基板５０に載置される基部４２と、箱状の蓋体４１と、を備え、基部４２に載置される光検出部３０を備えたガスセルユニット１０を覆うように蓋体４１を被せて基部４２に合わせることでセル側遮蔽体４０を構成する。セル側遮蔽体４０は、セル側遮蔽体４０の内部に対する外部からの磁気を遮蔽する機能を有し、セル側遮蔽体４０に収容されるガスセルユニット１０への外部からの磁気を遮蔽する。

蓋体４１のガスセル保持部材１２に形成された貫通孔１２ａに対向する位置、即ち励起光の通過位置には、貫通孔４１ａが設けられている。なお、貫通孔４１ａには、励起光を透過し得る材料であれば、特に限定されないが、例えば透明ガラス、透明石英ガラス、透明水晶などが気密接合されていてもよい。このように、貫通孔４１ａが気密接合されていることで、セル側遮蔽体４０内を気密空間とすることが可能となる。なお、図１および図２では、図示を省略しているが、セル側遮蔽体４０には、前述した部品以外の部品が収納されていてもよい。また、図示しないが、基板５０には、セル側遮蔽体４０の外部からガスセルユニット１０への通電のための複数の配線などが設けられている。

蓋体４１および基部４２の構成材料としては、磁気遮蔽効果を有していればよく、例えば、鉄（Ｆｅ）、各種Ｆｅ合金（ケイ素鉄、パーマロイ、スーパーマロイ、アモルファス、センダスト）、銅（Ｃｕ）、銅合金などの軟磁性材料が好ましい。このような材料を蓋体４１および基部４２に用いることにより、外部からの磁気（磁場の変化）をセル側遮蔽体４０によって遮蔽することができる。これにより、外部からの磁気（磁場の変化）によるガスセル１１内の金属原子への影響を抑制し、原子発振器１００としての発振特性の安定化を図ることが可能となる。

基部４２には、蓋体４１が接合され、蓋体４１の開口が基部４２により封鎖される。基部４２と蓋体４１との接合方法としては、特に限定されないが、例えば、ろう接、シーム溶接、エネルギー線溶接（レーザー溶接、電子線溶接等）等を用いることができる。なお、基部４２と蓋体４１との間には、これらを接合するための接合部材が介在していてもよい。

また、基部４２と蓋体４１とは気密的に接合されているのが好ましい。すなわち、セル側遮蔽体４０内が気密空間であることが好ましい。これにより、セル側遮蔽体４０内を減圧状態または不活性ガス封入状態とすることができ、その結果、原子発振器１００の特性を向上させることができる。特に、セル側遮蔽体４０内は、減圧状態であることが好ましい。これにより、セル側遮蔽体４０内の空間を介した熱の伝達を抑制することができる。そのため、ガスセル保持部材１２とセル側遮蔽体４０の外部との間や、セル側遮蔽体４０内の空間を介した、後述するヒーターとガスセル１１との間の熱干渉を抑制することができる。そのため、ヒーターの熱がガスセル保持部材１２を介して効率的に２つの窓部１１ｂ，１１ｃへ伝達し、２つの窓部１１ｂ，１１ｃ間の温度差を抑制することができる。また、ガスセルユニット１０とセル側遮蔽体４０の外部との間の熱の伝達をより効果的に抑制することができる。

図２に示すように、本実施形態に係る原子発振器１００は、ガスセルユニット１０を加熱する加熱素子としてのヒーター７０を備えている。ヒーター７０は、通電により発熱する発熱抵抗体（発熱部）である。ヒーター７０が発生した熱は、ガスセル１１に伝達され、ガスセル１１（より具体的にはガスセル１１中のアルカリ金属）が加熱され、ガスセル１１中のアルカリ金属をガス状に維持することができる。なお、ヒーター７０に代えて、あるいは、ヒーター７０と併用して、ペルチェ素子を用いてもよい。この場合、ペルチェ素子の発熱側の部分が発熱部を構成する。

ヒーター７０は、第２磁気遮蔽体としてのヒーター収容体６０に収容されている。図３は図２に示すＢ部の部分拡大図である。図３に示すように、ヒーター収容体６０は、ヒーター７０が収納される箱状のヒーター収納部６１ａと、ヒーター収納部６１ａから延在する鍔部６１ｂと、を備えるヒーター収納体６１と、少なくともヒーター収納部６１ａを覆うヒーター収納蓋体６２と、を備えている。そして、ヒーター収納体６１の鍔部６１ｂと、ヒーター収納蓋体６２と、を合わせることで、ヒーター収納部６１ａの空間がヒーター収容空間Ｓｈとして構成される。

ヒーター収納体６１およびヒーター収納蓋体６２の構成材料としては、磁気遮蔽効果を有していればよく、例えば、鉄（Ｆｅ）、各種Ｆｅ合金（ケイ素鉄、パーマロイ、スーパーマロイ、アモルファス、センダスト）、銅（Ｃｕ）、銅合金などの軟磁性材料が好ましい。このような材料をヒーター収納体６１およびヒーター収納蓋体６２に用いることにより、ヒーター７０が発生する磁気（磁場の変化）をヒーター収容体６０によって遮蔽することができる。ヒーター７０が発生する磁気は微弱ではあるが、磁気の影響を受けやすいガスセル１１の近傍にヒーター７０が配置されるため、その磁気の影響は無視できない。そこで、ヒーター７０が磁気遮蔽効果を有する材料で形成されるヒーター収容体６０によって包みこまれることにより、ヒーター７０からの磁気の漏れを防ぎ、ガスセル１１内の金属原子への影響を抑制し、原子発振器１００としての発振特性の安定化を図ることが可能となる。

ヒーター収納蓋体６２には、ヒーター収容体６０に構成された状態で、ヒーター７０に対応し、ヒーター７０に向けて突出させた押圧部としての突起部６２ａが形成されている。そして、突起部６２ａの先端部６２ｂと、ヒーター７０と、の間にヒーター７０に電力を供給する配線が形成されたフレキシブル基板７１（以下、フレキ基板７１という）が挟持される。更に、突起部６２ａは先端部６２ｂによって、フレキ基板７１を介してヒーター７０がヒーター収納部６１ａの内部底面６１ｃへ押圧、固定される。

ヒーター７０をヒーター収納部６１ａの内部底面６１ｃに向けて押圧することで、ヒーター７０と内部底面６１ｃを密着させ、ヒーター７０が発生する熱を確実にヒーター収納部６１ａに伝達させ、後述する中間部材、そして外殻磁気遮蔽体９０（以下、外殻遮蔽体９０という）を介してガスセル１１に所定の熱を供給し、安定した原子発振器１００の発振性能を得ることができる。

ヒーター収容体６０は、図１あるいは図２に示す、セル側遮蔽体４０の外側に備える第３磁気遮蔽体としての外殻遮蔽体９０を構成する外殻蓋体９１の外側に、ヒーター収納体６１の鍔部６１ｂとヒーター収納蓋体６２と、をネジ６０ａによって固着される。この時、外殻蓋体９１には、ヒーター収納体６１のヒーター収納部６１ａが挿通可能な挿通孔９１ｂが形成されており、ヒーター７０が収容されたヒーター収容体６０が外殻蓋体９１に固定されることによって、挿通孔９１ｂよりヒーター収納部６１ａの内部底面６１ｃに対向する外部接続面６１ｄが、外殻蓋体９１の内側に突出するように配置される。

そして、外部接続面６１ｄと、セル側遮蔽体４０の蓋体４１と、の間で中間部材８０が挟持される。中間部材８０は熱伝導率が高く、且つ透磁率の低い材料、例えばアルミニウム、が好適に用いられる。上述したように、ヒーター収容体６０は透磁率の高い材料を用いて形成されている。この中間部材８０は、ヒーター収容体６０と、セル側遮蔽体４０と、が直接接触することによって生じるヒーター７０から生じる磁気のガスセル１１側への流れ込み（漏れ）を遮断するとともに、ヒーター７０が発生する熱を、セル側遮蔽体４０を介してガスセル１１に伝達させるものである。

従って、中間部材８０の透磁率は、セル側遮蔽体４０および外殻遮蔽体９０の透磁率より低くすることが好ましい。また、中間部材８０の熱伝導率が、少なくともセル側遮蔽体４０、すなわち蓋体４１より高い熱伝導率とすることにより、中間部材８０による熱伝達のロスを低減させることができる。なお、中間部材８０は、ヒーター収納部６１ａの外部接続面６１ｄと熱伝導率の高い接着剤、あるいは金属ろうによるろう付け、あるいは、スポット溶接などの溶接手段によって接合してもよい。

上述したように、ヒーター７０が発生する熱がヒーター収納部６１ａを介して中間部材８０に確実に伝達できるようにするために、ヒーター収納蓋体６２の突起部６２ａの先端部６２ｂによってヒーター収納部６１ａの内部底面６１ｃに向けてヒーター７０が付勢されている。しかし、突起部６２ａが直接、ヒーター７０に接触することでヒーター７０に損傷が生じる虞があった。

そこで、ヒーター７０に電力を外部から供給する給電配線を備える樹脂製のフレキ基板７１の一部を、ヒーター７０と、突起部６２ａの先端部６２ｂと、の間に介在、挟持させることによってヒーター７０の損傷を防止することができる。すなわち突起部６２ａと、ヒーター７０と、の間の緩衝部材としてフレキ基板７１を用いることができる。また、フレキ基板７１が樹脂製、すなわち弾性を備えることから、突起部６２ａの先端部６２ｂによるヒーター７０への押圧力を維持させることができる。

なお、緩衝部材としてフレキ基板７１を用いることとしたが、これに限定されない。例えば、樹脂シートを突起部６２ａとヒーター７０との間に挟持させてもよく、あるいは、突起部６２ａに樹脂コートを施してもよい。しかし、小型化、部品数の低減によるコスト低減から、フレキ基板７１を緩衝部材として用いることが好ましい。

上述の外殻遮蔽体９０は、図１および図２に示すように、セル側遮蔽体４０を収納し、セル側遮蔽体４０とともにガスセルユニット１０と、光検出部３０と、に対する外部からの磁気を遮蔽する機能を有している。外殻遮蔽体９０は、底部９２と、外殻蓋体９１とを備え、外殻蓋体９１の開口が基板５０により封鎖されている。これにより、セル側遮蔽体４０を収納する空間が形成されている。

外殻蓋体９１において、セル側遮蔽体４０に設けられた貫通孔４１ａに対向する位置、即ち励起光の通過位置には、貫通孔９１ａが設けられている。なお、貫通孔９１ａは、貫通穴でもよいし、励起光を透過し得る材料、例えば透明ガラス、透明石英ガラス、透明水晶などが接合されていてもよい。外殻蓋体９１は、基板５０に接合され、外殻蓋体９１の開口が封鎖される。基板５０と外殻蓋体９１との接合方法としては、例えば、樹脂系接着剤、ろう接、シーム溶接、エネルギー線溶接（レーザー溶接、電子線溶接等）等を用いることができる。なお、基板５０と外殻蓋体９１との間には、これらを接合するための接合部材が介在していてもよい。

底部９２は、外殻蓋体９１の接続されている面と反対側の基板５０の裏面に接続されている。つまり、底部９２は、基板５０を挟んでセル側遮蔽体４０の基部４２と対向し、さらに後述する光射出部２０に対向する位置まで延在して配置されている。底部９２は、図２に示すように、矩形状をなしている。底部９２は、磁気遮蔽板としての機能に加え、基板５０の補強板としての機能も有している。また、基板５０を挟んでセル側遮蔽体４０の基部４２と対向して底部９２が接続されている構成の外殻遮蔽体９０であることから以下の利点を有する。本構成では、セル側遮蔽体４０を間に挟んで基板５０に配置されているガスセル１１と光源２２との光軸合わせを行い、光軸が合った後に、基板５０を挟んで底部９２を接続することができる。このように、ガスセル１１、および光源２２が基板５０の一面上に並んで配置されている、所謂横置き配置であっても、セル側遮蔽体４０と外殻遮蔽体９０との、二重の磁気遮蔽体を有しながら、ガスセル１１と光源２２との光軸合わせを容易に行うことが可能となる。

外殻蓋体９１および底部９２の構成材料としては、磁気遮蔽効果を有していればよく、例えば、鉄（Ｆｅ）、各種Ｆｅ合金（ケイ素鉄、パーマロイ、スーパーマロイ、アモルファス、センダスト）、銅（Ｃｕ）、銅合金などの軟磁性材料が好ましい。このような材料を、外殻蓋体９１および底部９２に用いることにより、外部からの磁気（磁場の変化）を外殻遮蔽体９０によって遮蔽することができる。加えて、外殻遮蔽体９０と空気層や基板５０の透磁率の低い層を挟んでセル側遮蔽体４０が設けられている二重の磁気遮蔽体となることから、外部からの磁気（磁場の変化）によるガスセル１１内の金属原子への影響を、より大きく抑制することが可能となる。

基板５０は、基板５０の一面に、前述したように、ガスセルユニット１０（ガスセル１１）を収納したセル側遮蔽体４０と、セル側遮蔽体４０を覆う外殻遮蔽体９０の外殻蓋体９１と、励起光を射出する光源２２を有する光射出部２０とが接続されている。換言すれば、ガスセル１１と、ガスセル１１と並んで配置された光源２２を有する光射出部２０との間に、セル側遮蔽体４０と、外殻遮蔽体９０の外殻蓋体９１と、の二つの磁気遮蔽体が設けられている。即ち、ガスセル１１と、セル側遮蔽体４０と、外殻遮蔽体９０の外殻蓋体９１と、光射出部２０とが励起光の光軸方向Ｒに沿って並んで配置されている。また、基板５０の一面の裏面には、外殻遮蔽体９０を構成する底部９２が接続されている。

このように、基板５０の一面に並んで配置されたガスセル１１と光源２２との間に、セル側遮蔽体４０および外殻遮蔽体９０の二重の磁気遮蔽体が設けられていることで、磁気によるガスセル１１内の金属原子への影響を抑制し、発振特性の安定化を図ることが可能となる。なお、基板５０の構成材料としては、特に限定されないが、例えば、樹脂材料、セラミックス材料等を用いることができる。また、図示しないが、基板５０には、外部からガスセルユニット１０（ガスセル１１）、あるいは光射出部２０への通電のための複数の配線および複数の端子が設けられている。

図４は、図１，２に示す原子発振器１００の動作を示す概略構成図である。また、図５は、図１，２に示す原子発振器１００のガスセル１１内におけるアルカリ金属のエネルギー状態を説明するための図、図６は、図１，２に示す原子発振器１００の光射出部２０（光源２２）および光検出部３０について、光射出部２０（光源２２）からの２つの光の周波数差と、光検出部での検出強度との関係を示すグラフである。

先ず、原子発振器１００の原理を簡単に説明する。原子発振器１００では、ガスセル１１内に、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（金属原子）が封入されている。アルカリ金属は、図５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、および共鳴光２を照射すると、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、および共鳴光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、および基底状態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、および共鳴光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（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ Ｔｒａｐｐｉｎｇ）現象、または電磁誘起透明化現象（ＥＩＴ：Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｃｙ）と呼ぶ。

光源２２は、ガスセル１１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）を射出する。例えば、光源２２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、光検出部３０の検出強度は、図６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。

本実施形態に係る原子発振器１００は、図４に示すように、光射出部２０に備える光源２２から、ガスセル１１に向かって励起光ＬＬがガスセル１１への入射光として射出される。励起光ＬＬとして、前述したように、周波数の異なる２種の光（共鳴光１および共鳴光２）が射出される。共鳴光１の周波数ω１は、ガスセル１１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１１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。

この光源２２としては、前述したような励起光を射出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。

光射出部２０から射出された励起光ＬＬは、励起光ＬＬの光軸方向Ｒ上のガスセル保持部材１２に形成された貫通孔１２ａに設けられている光学部品１４，１５を透過する。光学部品１４は、上述したようにλ／４波長板であり、光源２２から射出された直線偏光の励起光ＬＬを、円偏光（右偏光あるいは左偏光）に変換することができる。次に、光学部品１５は、減光フィルター（ＮＤフィルター）であり、ガスセル１１に入射する励起光ＬＬの強度を調整（減少）させることができ、光源２２の出力が大きい場合でも、ガスセル１１に入射する励起光ＬＬを所望の光量とすることができる。

光学部品１４によって励起光ＬＬが円偏光に変換されることによって、コイル１３の磁場によりガスセル１１内のアルカリ金属原子がゼーマン分裂した状態において、円偏光の励起光ＬＬがアルカリ金属原子に照射されると、励起光ＬＬとアルカリ金属原子との相互作用により、アルカリ金属原子がゼーマン分裂した複数の準位のうち、所望のエネルギー準位のアルカリ金属原子の数を他のエネルギー準位のアルカリ金属原子の数に対して相対的に多くすることができる。そのため、所望のＥＩＴ現象を発現する原子数が増大し、所望のＥＩＴ信号の強度が大きくなり、その結果、原子発振器１００の発振特性を向上させることができる。

なお、光源２２とガスセル１１との間には、波長板および減光フィルターの他に、レンズ、偏光板等の他の光学部品が配置されていてもよい。また、光源２２からの励起光の強度によっては、光学部品１５を省略することができる。

ガスセル１１内を透過した励起光ＬＬ（共鳴光１、共鳴光２）は、光検出部３０により強度が検出される。励起光ＬＬの光検出部３０による検出結果は、制御部１１０（図１，２には図示されない）に備える励起光制御部１１１に入力され、光源２２から射出される共鳴光１、共鳴光２の周波数を光検出部３０の検出結果に基づいて制御する。より具体的には、励起光制御部１１１は、前述した光検出部３０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、光源２２から射出される共鳴光１、共鳴光２の周波数を制御する。また、励起光制御部１１１は、光源２２から射出される共鳴光１、共鳴光２の中心周波数を制御する。これにより、前述したようなＥＩＴ信号を検出することができる。そして、制御部１１０は、図示しない水晶発振器の信号をＥＩＴ信号に同期して出力させる。

制御部１１０には、温度制御部１１２、および磁場制御部１１３を備えている。温度制御部１１２には、図１，２には図示されないガスセル１１の温度を検出する温度センサー７２からの計測検出結果に基づいて、ヒーター７０への通電を制御する。これにより、ガスセル１１を所望の温度範囲内に維持することができる。また、磁場制御部１１３は、コイル１３が発生する磁場が一定となるように、コイル１３への通電を制御する。

このような制御部１１０は、例えば、原子発振器１００が実装される実装基板上に実装された電子回路装置（例えば、半導体装置）に設けられている。なお、制御部１１０が外殻遮蔽体９０、あるいはセル側遮蔽体４０の内部に設けられていてもよい。

（その他の形態）
図７は、第１実施形態に係る原子発振器１００のその他の形態として原子発振器２００を示す図１におけるＡ−Ａ´部の断面図である。また、図８は、図７におけるＣ部の部分拡大図である。なお、図１，２，３に示す原子発振器１００と同じ構成要素には同じ符号を付し、説明は省略する。

図７に示す原子発振器２００は、図２に示す原子発振器１００に備えるヒーター収容体６０の構成が異なるものである。

図８に示すように、ヒーター収容体２６０は、上述した図３によって説明した原子発振器１００に備えるヒーター収容体６０に対して、ヒーター収納蓋体６２の形態が異なる。本実施形態に係る原子発振器２００では、ヒーター収容体２６０は、ヒーター収納体６１と、ヒーター収納蓋体２６２と、が組み合わされ構成される。

ヒーター収納蓋体２６２には、押圧部としてのネジ２６１がネジ嵌合されている。ねじ２６１を、回転、いわゆるねじ込むことにより、ネジ２６１の先端２６１ａによってフレキ基板７１を介してヒーター７０をガスセル１１側に付勢可能とするものである。

このようにネジ２６１をヒーター収納蓋体２６２の押圧部として備えることにより、ヒーター７０の付勢圧力を適正に調整することが可能となり、いわゆる各々の部品のばらつきによるヒーター７０への付勢圧力の増減を適正化することができる。

（第２実施形態）
第２実施形態として、第１実施形態に係る原子発振器１００を備える電子機器の一例としてＧＰＳ衛星を利用した測位システムを説明する。図９は、ＧＰＳ衛星を利用した測位システムに本発明に係る原子発振器を用いた場合の概略構成を示す図である。

図９に示す測位システム１０００は、ＧＰＳ衛星１１００と、基地局装置１２００と、ＧＰＳ受信装置１３００とで構成されている。ＧＰＳ衛星１１００は、測位情報（ＧＰＳ信号）を送信する。基地局装置１２００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１２０１を介してＧＰＳ衛星１１００からの測位情報を高精度に受信する受信装置１２０２と、この受信装置１２０２で受信した測位情報をアンテナ１２０３を介して送信する送信装置１２０４とを備える。

ここで、受信装置１２０２は、その基準周波数発振源として前述した本発明に係る第１実施形態の原子発振器１００を備える電子装置である。このような受信装置１２０２は、優れた信頼性を有する。また、受信装置１２０２で受信された測位情報は、リアルタイムで送信装置１２０４により送信される。ＧＰＳ受信装置１３００は、ＧＰＳ衛星１１００からの測位情報を、アンテナ１３０１を介して受信する衛星受信部１３０２と、基地局装置１２００からの測位情報を、アンテナ１３０３を介して受信する基地局受信部１３０４とを備える。

（第３実施形態）
第３実施形態として、第１実施形態に係る原子発振器１００を備える電子機器の一例としてクロック伝送システムを説明する。図１０は、クロック伝送システムに本発明に係る原子発振器を用いた場合の概略構成を示す図である。

図１０に示すクロック伝送システム２０００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２０００は、Ａ局（上位（Ｎ系））のクロック供給装置（ＣＳＭ：Ｃｌｏｃｋ Ｓｕｐｐｌｙ Ｍｏｄｕｌｅ）２００１およびＳＤＨ（Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｈｉｅｒａｒｃｈｙ）装置２００２と、Ｂ局（上位（Ｅ系））のクロック供給装置２００３およびＳＤＨ装置２００４と、Ｃ局（下位）のクロック供給装置２００５およびＳＤＨ装置２００６，２００７とを備える。クロック供給装置２００１は、原子発振器１００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２００１内の原子発振器１００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２００８，２００９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２００２は、クロック供給装置２００１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２００５に伝送する。クロック供給装置２００３は、原子発振器１００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２００３内の原子発振器１００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２００８，２００９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２００４は、クロック供給装置２００３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２００５に伝送する。クロック供給装置２００５は、クロック供給装置２００１，２００３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２００５は、通常、クロック供給装置２００１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２００５は、クロック供給装置２００３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２００６は、クロック供給装置２００５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２００７は、クロック供給装置２００５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。

（第４実施形態）
第４実施形態として、第１実施形態に係る原子発振器１００を備える移動体の一例として自動車を例に説明する。図１１は、移動体としての自動車に本発明に係る原子発振器を用いた場合の概略構成を示す斜視図である。

図１１に示す移動体としての自動車３０００は、車体３００１と、４つの車輪３００２とを有しており、車体３００１に設けられた図示しない動力源によって車輪３００２を回転させるように構成されている。このような自動車３０００には、原子発振器１００が内蔵されている。そして、原子発振器１００からの発振信号に基づいて、例えば、図示しない制御部が動力源の駆動を制御する。

なお、本発明の原子発振器を組み込む電子機器または移動体は、前述したものに限定されず、例えば、携帯電話機、デジタルスチールカメラ、インクジェット式吐出装置（例えばインクジェットプリンター）、パーソナルコンピューター（モバイル型パーソナルコンピューター、ラップトップ型パーソナルコンピューター）、テレビ、ビデオカメラ、ビデオテープレコーダー、カーナビゲーション装置、ページャー、電子手帳（通信機能付も含む）、電子辞書、電卓、電子ゲーム機器、ワードプロセッサー、ワークステーション、テレビ電話、防犯用テレビモニター、電子双眼鏡、ＰＯＳ端末、医療機器（例えば電子体温計、血圧計、血糖計、心電図計測装置、超音波診断装置、電子内視鏡）、魚群探知機、各種測定機器、計器類（例えば、車両、航空機、船舶の計器類）、フライトシミュレーター等に適用することができる。

以上、本発明の原子発振器について、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く、例えば、前述した実施形態の各部の構成は、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。

１０…ガスセルユニット、２０…光射出部、３０…光検出部、４０…ガスセル側磁気遮蔽体、５０…基板、６０…ヒーター収容体、７０…ヒーター、８０…中間部材、９０…外殻磁気遮蔽体、１００…原子発振器。

Claims (7)

1. 金属原子が封入されているガスセルと、
   前記ガスセルの周囲に配置されるコイルと、
   前記ガスセルと前記コイルとを収容する第１磁気遮蔽体と、
   前記ガスセルを加熱する加熱素子と、
   前記加熱素子を収容する第２磁気遮蔽体と、
   前記第１磁気遮蔽体と前記第２磁気遮蔽体とによって挟持される中間部材と、を備え、
   前記中間部材の透磁率は、前記第１磁気遮蔽体の透磁率および前記第２磁気遮蔽体の透磁率より低い、
   原子発振器。
2. 前記中間部材の熱伝導率は、前記第１磁気遮蔽体の熱伝導率より高い、
   請求項１に記載の原子発振器。
3. 前記第２磁気遮蔽体は、前記加熱素子を前記第１磁気遮蔽体側に向けて押圧する押圧部を備える、
   請求項１または２に記載の原子発振器。
4. 前記押圧部と、前記加熱素子と、によって挟持される緩衝部材を備える、
   請求項３に記載の原子発振器。
5. 前記緩衝部材は、前記加熱素子への給電配線が形成された基板である、
   請求項４に記載の原子発振器。
6. 前記第１磁気遮蔽体を収容し、前記第２磁気遮蔽体が配置される外殻磁気遮蔽体を備える、
   請求項１ないし５のいずれか一項に記載の原子発振器。
7. 原子発振器を備える電子機器であって、
   前記原子発振器は、
   金属原子が封入されているガスセルと、
   前記ガスセルの周囲に配置されるコイルと、
   前記ガスセルと前記コイルとを収容する第１磁気遮蔽体と、
   前記ガスセルを加熱する加熱素子と、
   前記加熱素子を収容する第２磁気遮蔽体と、
   前記第１磁気遮蔽体と前記第２磁気遮蔽体とによって挟持される中間部材と、を備え、
   前記中間部材の透磁率は、前記第１磁気遮蔽体の透磁率および前記第２磁気遮蔽体の透磁率より低い、
   電子機器。

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