JP6852377B2

JP6852377B2 - 原子発振器および電子機器

Info

Publication number: JP6852377B2
Application number: JP2016240414A
Authority: JP
Inventors: 北森　宣匡; 宣匡北森; 慎介志智
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2016-12-12
Filing date: 2016-12-12
Publication date: 2021-03-31
Anticipated expiration: 2036-12-12
Also published as: JP2018098321A

Description

本発明は、原子発振器および原子発振器を備える電子機器に関する。

原子発振器は、ルビジウム、セシウム等の原子を気密封入したガスセルに２種類の波長の異なるレーザ光を照射することで、量子干渉効果（Coherent Population Trapping（ＣＰＴ））を利用して共鳴周波数を得ることができる。ガスセル中の原子はレーザ光を吸収し、２種類の光の周波数差に応じて光吸収特性（透過率）が変化することが知られている。特に、原子発振器は、２種類の光のいずれも吸収されずに透過する現象（Electromagnetically Induced Transparency（ＥＩＴ））を利用して、原子に吸収されず透過する透過光スペクトルをＥＩＴ信号として検出している。具体的な原子発振器の構成については、例えば特許文献１に開示されている。

特許文献１に開示されている原子発振器は、レーザ、波長板、ガスセル（蒸気セル）、および光検出器などの構成要素を支持する、下部台座および上部台座を含んでいる。上部台座には、側面に光検出器およびガスセルが実装され、下部台座には、側面にレーザおよび波長板が実装されている。下部台座および上部台座は、互いに平行、かつ空洞部の基底面に平行に配置されている。

特開２０１３−３１３９号公報

しかし、特許文献１に開示されている原子発振器では、光源であるレーザを実装する第１基板（下部台座）の端子を設けた辺と、光検出器を実装する第２基板（上部台座）の端子を設けた辺とが同方向に配置さている。そのため、それぞれの端子への接続を考慮すると、第１基板（下部台座）および第２基板（上部台座）のうちのいずれか一方の基板のサイズを一方向に大きくする必要があり、特許文献１に開示されている原子発振器のパッケージのサイズが大きくなる問題があった。

さらに、特許文献１に開示されている原子発振器では、基板のサイズが一方向に大きくなるため、原子発振器のパッケージの内部空間を有効に利用できない、電極配線の引き回しが長くなる、基板がたわみやすくなるなどの問題が生じる。原子発振器のパッケージの内部空間を有効に利用するためには、光学系の設計を大幅に変更する必要があり製造コストが上昇する。また、電極配線の引き回しが長くなると、ノイズが乗りやすくなり、ＥＩＴ信号が悪化する。さらに、基板がたわみやすくなると、光源と光検出器との距離が変化し、ＥＩＴ信号が悪化する。

そこで、本発明の目的は、パッケージのサイズを小さくすることができる原子発振器および原子発振器を備える電子機器を提供する。

本発明の一形態に係る原子発振器は、光源と、アルカリ金属原子が封入された内部空間を有するガスセルと、光源から出射され、ガスセルを透過した光を検出する光検出部と、光源、ガスセルおよび光検出部を内包するパッケージとを備え、パッケージは、光源を設けた第１基板と、光検出部を設けた第２基板とを少なくとも含む複数の基板を内包し、第１基板および第２基板は、少なくとも基板の一辺または基板の対向する二辺に、少なくとも１つの端子をそれぞれ有し、光源から光検出部に至る光源方向から見て、複数の基板のうちの少なくとも２つの基板の端子が重ならない位置となるように基板を配置してある。

本発明の一形態に係る電子機器は、上記に記載の原子発振器を備える。

本発明によれば、光源から光検出部に至る光源方向から見て、複数の基板のうちの少なくとも２つの基板の端子が重ならない位置となるように基板を配置するので、基板のサイズを一方向に大きくする必要がなく、パッケージのサイズを小さくすることができる。

本発明の実施の形態１に係る原子発振器の構成を説明するための概略図である。本発明の実施の形態１に係る原子発振器の機能を説明するためのブロック図である。本発明の実施の形態１に係る原子発振器のパッケージの種類を説明するための概略図である。本発明の実施の形態１の変形例に係る原子発振器の構成を説明するための概略図である。本発明の実施の形態１の別の変形例に係る原子発振器の構成を説明するための概略図である。本発明の実施の形態２に係る原子発振器の構成を説明するための概略図である。本発明の実施の形態２の変形例に係る原子発振器の構成を説明するための概略図である。本発明の実施の形態２の別の変形例に係る原子発振器の構成を説明するための概略図である。本発明の実施の形態２のさらに別の変形例に係る原子発振器の構成を説明するための概略図である。本発明の実施の形態３に係る原子発振器の構成を説明するための概略図である。本発明の実施の形態４に係る原子発振器の構成を説明するための概略図である。本発明の実施の形態４の変形例に係る原子発振器の構成を説明するための概略図である。

以下に、本発明の実施の形態に係る原子発振器について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一符号は同一または相当部分を示す。

（実施の形態１）
以下に、本発明の実施の形態１に係る原子発振器について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係る原子発振器１００の構成を説明するための概略図である。図１（ａ）は、パッケージ５０に収められた基板１０，２０を、光検出器３が設けられた基板２０側から見た平面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ線矢印方向から見た断面図である。図１（ｃ）は、図１（ａ）のＢ−Ｂ線矢印方向から見た断面図である。

原子発振器１００は、図１（ｂ）に示すように、パッケージ５０の底から順に光源１が設けられた基板１０、ガスセル２、光検出器３が設けられた基板２０が配置され、パッケージ５０の開口部をリッド５１で蓋をしてある。なお、図１では、原子発振器１００の構成のうち、光源１から光検出器３までは量子部について図示してある。原子発振器１００は、量子部以外に、後述する光源波長制御回路７および周波数制御回路８の構成（図２参照）や、特に図示していないが信号源となる水晶発振器および量子部からの出力信号を水晶発振器にフィードバックするフィードバック回路などの構成を含んでいる。本願明細書では、説明を簡単にするために原子発振器の量子部について説明をする。また、以下の記載において、原子発振器の量子部を単に原子発振器と記載する場合がある。

光源１が設けられた基板１０は、図１（ａ）に示すように矩形状であって、短辺に配線等を接続するための端子１１が形成されている。基板１０の長辺には、端子１１が形成されていない。つまり、基板１０は、対向する二辺に端子１１が形成されている、なお、基板１０は、少なくとも一辺または対向する二辺に、少なくとも１つ端子１１が形成されていればよい。

同様に、光検出器３が設けられた基板２０は、図１（ａ）に示すように矩形状であって、短辺に配線等を接続するための端子２１が形成されている。基板２０の長辺には、端子２１が形成されていない。つまり、基板２０は、対向する二辺に端子２１が形成されている、なお、基板２０は、少なくとも一辺または対向する二辺に、少なくとも１つ端子２１が形成されていればよい。

また、光源１が設けられた基板１０は長辺方向を図中のＹ方向に配置し、光検出器３が設けられた基板２０は長辺方向を図中のＸ方向に配置している。つまり、基板１０の長辺方向と基板２０の長辺方向との成す角度が９０度となるように基板１０と基板２０とが配置されており、光源１から光検出器３に至る光源方向（図中のＺ方向）から見て、それぞれの短辺に設けた端子１１と端子２１とが重ならない位置となっている。そのため、基板１０の端子１１に配線等を接続する場合でも、基板２０が邪魔にならず、端子１１の周りに十分なスペースを確保することができる。同様に、基板２０の端子２１に配線等を接続する場合でも、基板１０が邪魔にならず、端子２１の周りに十分なスペースを確保することができる。

仮に、基板１０の長辺方向と基板２０の長辺方向とが平行となる基板配置の場合、端子１１および端子２１の周りに十分なスペースを確保するために基板１０または基板２０の長辺方向の長さを両端で０．５ｍｍずつ（全体で１ｍｍ）長くする必要がある。しかし、図１（ａ）に示すように、基板１０の長辺方向と基板２０の長辺方向とのなす角度が９０度となるように基板１０と基板２０とを配置することで、端子１１および端子２１の周りに十分なスペースを確保するため基板１０または基板２０の長辺方向の長さを両端で０．５ｍｍずつ長くする必要がない。その結果、両端で０．５ｍｍずつ長くした基板を使用するパッケージの外形サイズが６ｍｍ程度であれば、両端で０．５ｍｍずつ長くした基板を使用する必要がなくなれば、パッケージの外形サイズが５ｍｍ程度になり、パッケージを約２０％程度小型化できる。

ここで、原子発振器１００の構成について少し詳しく説明する。原子発振器１００は、光源１、ガスセル２および光検出器３で構成されている。原子発振器１００は、光源１からの光をガスセル２に入射し、ガスセル２を透過した光を光検出器３で検出してＥＩＴ信号を得ている。

図２は、本発明の実施の形態１に係る原子発振器１００の機能を説明するためのブロック図である。図２に示す原子発振器１００では、図１に示した原子発振器１００の量子部の構成以外に、駆動するために必要な温度コントロール回路６，９、光源波長制御回路７、および周波数制御回路８も図示している。また、図１で示さなかった光学部材４および波長板５も図示している。なお、原子発振器１００おいて光学部材４および波長板５は必須の部材ではなく、必要に応じて採用することが可能な部材である。その他、遮光板などを用いてもよい。

光源１は、例えばシングルモードのＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting LASER）を用いる。具体的には、光の波長が８９４．６ｎｍのＣｓ−Ｄ１線のＶＣＳＥＬを光源１に用いる。なお、光源１には、光の波長が８５２．３ｎｍのＣｓ−Ｄ２線のＶＣＳＥＬ、７９５．０ｎｍのＲｂ−Ｄ１線のＶＣＳＥＬ、７８０．２ｎｍのＲｂ−Ｄ２線のＶＣＳＥＬなどを用いてもよい。また、光源１は、ＶＣＳＥＬに限定されずＤＦＢ（Distributed Feedback）レーザやＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）レーザなどを用いてもよい。

光源１にＶＣＳＥＬを用いる場合、ＶＣＳＥＬの個体差により光の波長がばらつくため、温度コントロール回路６を用いて８９４．６ｎｍの波長の光が出力できるように調整している。温度コントロール回路６は、光源１の近傍に設けたサーミスタや熱電対で測定した温度に基づき、光源１に設けたヒータで温度を調節する。原子発振器１００を原子時計に用いるのであれば、温度コントロール回路６は、光源１を３０℃〜１２５℃辺りの温度範囲で調節する。なお、温度コントロール回路６は、光源１の近くに配置されたサーミスタや熱電対などのセンサ（図示せず）によって温度を測定しながら光源１の温度を調節している。

ＶＣＳＥＬから出力される光の波長を制御する方法として、温度を調整する以外に動作電流を調整する方法もある。ＣＳＡＣ（Chip-Scale Atomic Clock）用途の原子発振器１００に用いる光源１には、動作電流として０．８〜２ｍＡ程度のＶＣＳＥＬが用いられる。本発明の実施の形態１に係る光源１では、ＶＣＳＥＬの動作温度を７６．９℃、動作電流（ＤＣ電流値）を１．１ｍＡとして実験を行っている。また、光源１のＶＣＳＥＬは、入力側にバイアス・ティ（Bias Tees）を設け、当該バイアス・ティでＤＣ電流と４．５９６３１５８８５ＧＨｚのＲＦ信号とを合成した信号を入力側に入力している。そのため、光源１のＶＣＳＥＬは、周波数変調することでＣｓの遷移周波数である９．１９２６３１７７０ＧＨｚ差を持つ２つの光を１次のサイドバンドで作り出している。ＲＦ信号の信号強度は、ＶＣＳＥＬまでの配線やＶＣＳＥＬ自体のインピーダンス、ＤＣ電流、動作温度によって最適値が異なるため測定系によって大きく値が異なる。本発明の実施の形態１に係る光源１では、ＥＩＴ信号の信号強度（ピークの信号強度とボトムの信号強度との差）が最大となるように調整している。ＥＩＴ信号の信号強度が最大となる条件が、ＶＣＳＥＬからの光の１次のサイドバンドの強度が最大になる周波数変調に相当する。ＶＣＳＥＬを周波数変調した場合、１次のサイドバンド以外にキャリア成分や２次以降の高次モードの成分も発生するが、これらの成分はノイズ要因となるため１次のサイドバンド以外の成分はなるべく抑圧することが望ましい。

原子発振器１００は、光源１とガスセル２の間にレンズ等の光学部材４を配置してある。光学部材４は、光源１から出射された拡散光を平行（コリメート）光にしたり、スポット径を変えたりとガスセル２に入射する光形状を調整するために用いられる。本発明の実施の形態１に係る光学部材４では、スポット径が２ｍｍとなるようにコリメータレンズを使用している。なお、光源１のスポット径は、ピークの光強度に対して１／ｅ^２の光強度となる範囲とする一般的な定義を用いている。原子発振器１００では、光学部材４で平行光になった光がガスセル２を透過して光検出器３に至る。

さらに、原子発振器１００は、光源１とガスセル２の間に波長板５を配置してある。波長板５は、光源１からの光の偏光を変えるために用いる。光源１から出た光は、一般的に直線偏光である。直線偏光を用いたＥＩＴ信号は、外部磁場により大きく変動するエネルギー準位を使用するため周波数変動が生じやすい。そのため、通常、原子発振器では、外部磁場による周波数変動の小さい準位を用いるため、波長板５を用いて光源１からの直線偏光の光を波長板５で円偏光の光に変えてガスセル２に入射している。本発明の実施の形態１に係る波長板５では、右回り円偏光となるように波長板を配置している。なお、ガスセル２に入射する円偏光は、右回り円偏光でも左回り円偏光でもよい。

ガスセル２は、Ｋ，Ｎａ，Ｃｓ，Ｒｂなどのアルカリ金属ガス（原子）を気密封入した密封容器である。ガスセル２は、光源１に対する近方端に光を入射する入射窓（入射側）と、遠方端に光を出射する出射窓（出射側）と、入射窓と出射窓とを保持する側壁（側面）とで構成されている。原子発振器１００のガスセル２では、例えばＣｓのアルカリ金属ガスが気密封入されている。ガスセル２のサイズが１０ｍｍ以下の場合、内部空間内のアルカリ金属ガスを増やすため、ヒータ（図示せず）を温度コントロール回路９で調節してガスセル２を温めている。例えば、原子発振器に用いるガスセルであれば、使用温度として３０℃〜１２５℃程度である。温度コントロール回路９は、ガスセル２の近傍に設けたサーミスタや熱電対で測定した温度に基づき、ガスセル２に設けたヒータで温度を調節する。

ガスセル２で必要とされるアルカリ金属ガスの量は、飽和蒸気圧の量である。しかし、アルカリ金属ガスはガスセル２の容器と反応する等により徐々に消費されるため、ガスセル２には飽和蒸気圧の量よりも多くのアルカリ金属ガスが封入されている。具体的に、一辺の長さが数ｍｍ程度のガスセルであれば数μｇ程度のアルカリ金属ガスがガスセル２に封入してある。なお、飽和蒸気圧の量よりも多く封入したアルカリ金属原子は固体または液体の状態で内部空間内に留まることになる。

ガスセル２は、光源１からの光を入射するため、少なくとも光経路上において透明であることが必要である。そのため、ガスセル２の入出射窓には、石英ガラス、ホウケイ酸ガラス、アルミノケイ酸ガラスなどのガラスが用いられる。なお、ガスセル２の側面には、ガラスやガラスと陽極接合が可能なＳｉが用いられる。ガスセル２に用いる部材は、光源１からの光をなるべく透過させる高透過率の部材が望ましく、ＡＲコート等反射防止加工を行ってもよい。

ガスセル２の容器サイズは、光軸方向および光軸に対して垂直方向のいずれの方向においても大きい方が良好なＥＩＴ信号を得ることができる。これは、ガスセル２内でアルカリ金属ガスに光が当たる領域が広くなり、アルカリ金属ガスに光が当たる時間が長くなるためである。ただし、小型の原子発振器が望まれており、ガスセルの容器サイズは、一辺の長さが１ｍｍ〜１０ｍｍ程度である。

ガスセル２には、アルカリ金属ガス以外にバッファガスが封入されている。ガスセル内にアルカリ金属ガスのみであると、容器壁面にアルカリ金属原子が短時間で衝突して観測する時間が短くなる問題があった。そこで、観測する時間を延ばすためにバッファガスと呼ばれる不活性ガスをアルカリ金属ガスと共にガスセル内に封入する。これにより、アルカリ金属ガスがバッファガスと衝突することで移動速度を低減して容器壁面に衝突するまでの時間を長くして、観測する時間を延ばしている。封入する不活性ガスは、Ｈｅ，Ｎ_２，Ｎｅ，Ａｒ，Ｋｒ，Ｘｅがある。ガスセルには、３００Ｔｏｒｒ以下程度の不活性ガスを封入する。なお、バッファガスの温度特性によるＥＩＴ信号への影響を抑えるため、温度特性の異なる不活性ガスを同時に封入する。例えば、ガスセルにマイナスの温度特性を持つＡｒとプラスの温度特性を持つＮ_２とを同時に封入する。

ガスセル２では、アルカリ金属ガスとしてＣｓ、バッファガスとしてＡｒとＮｅとの混合ガス（ＡｒとＮｅとの比率は７：３で合計圧力７５Ｔｏｒｒ）を封入している。また、ガスセル２の動作温度は６７℃で、ガスセル２の容器サイズは光軸方向の長さが２ｍｍである。

ガスセル２に外部磁場が加わるとアルカリ金属原子のエネルギー準位がゼーマン分裂し、複数のＥＩＴ信号が得られることが知られている。そこで、ガスセル２は、外部磁場の影響を低減するために、磁気シールド２ｂおよびバイアス磁場２ｃを加える構成を採用している。磁気シールド２ｂは、電磁軟鉄、珪素鋼、パーマロイ、アモルファス等の磁性材料が用いられる。バイアス磁場２ｃは、３軸のヘルムホルツコイル（図示せず）を用いて発生させ、光軸方向に約１００ｍＧの磁場として印加されている。なお、ガスセル２にバイアス磁場２ｃを印加する構成は、ヘルムホルツコイルに限定されない。

光検出器３には、ＰＤ（photo diode）を用いている。ＰＤは、光を電流に変換する素子で、例えば近赤外波長に吸収帯を持つＳｉのＰＩＮフォトダイオードである。ＰＩＮフォトダイオードは、逆バイアス電圧を印加することで高速な応答が可能となるが、原子発振器に用いる場合は特に高速な応答を必要としないため逆バイアス電圧は印加していない。

光検出器３は、ＰＤで得た信号からＥＩＴ信号のピーク位置と吸収線のピーク位置を検出する。良好なＥＩＴ信号を得るためには吸収線のピーク位置でＣＰＴを生じさせる必要があり、吸収線のピーク位置が光源１からの光の波長に相当する。

光源波長制御回路７は、光源１からの光の波長を制御している。具体的に、光源波長制御回路７は、光検出器３で得た吸収線のピーク位置に応じてＤＣ電源（図示せず）の電流（または電圧）を補正して、吸収線のピーク位置で光源１からの光の波長が安定するように制御している。

周波数制御回路８は、光検出器３から得た信号に応じて光源１の駆動電流に重畳させるＲＦ信号を生成し、ガスセル２内がＣＰＴ状態となるようにＲＦ信号の周波数を制御している。具体的に、周波数制御回路８は、光源１に入力する４．５９６３１５８８５ｋＨｚのＲＦ信号を、温度補償水晶発振器（ＴＣＸＯ）の信号（１０ＭＨｚ）を基に電圧制御発振器（ＶＣＯ）および位相同期回路（ＰＬＬ）を用いて生成している。なお、周波数制御回路８は、ＥＩＴ信号のピーク位置および吸収線のピーク位置を光検出器３で検出できるように、ＲＦ信号の周波数を変調（例えば、１０ｋＨｚ）して光源１からの光の波長を掃引している。

以上のように、本発明の実施の形態１に係る原子発振器１００では、前述したように光源１から光検出器３に至る光源方向（図中のＺ方向）から見て、２つの基板の端子１１，２１が重ならない位置となるように基板１０，２０を配置してある。具体的に、原子発振器１００では、２つの基板１０，２０が光源方向に対してそれぞれ水平方向に配置され、２つの基板１０，２０が光源方向に対する回転角度が異なる位置に配置してあり、基板１０（第１基板）の長辺方向と基板２０（第１基板）の長辺方向との成す角度が９０度となるように基板１０と基板２０とを配置してある。つまり、基板１０と基板２０とは、光源方向に対する回転角度が９０度異なるように配置してある。そのため、原子発振器１００では、基板１０または基板２０のサイズを大きくする必要がなくなりパッケージ５０のサイズを小さくすることができる。

また、原子発振器１００では、基板１０と基板２０とのサイズをほぼ均等にすることにより、パッケージ５０の内部空間を有効に利用することができる。パッケージ５０の内部空間を有効に利用するためには、光学系の設計を大幅に変更する必要がなくなり製造コストの上昇を抑えることができる。さらに、原子発振器１００では、１つのパッケージ５０内に複数の基板を実装することが可能となるため、コンパクトな配置となり、小型化が可能となる。また、原子発振器１００では、基板１０および基板２０のサイズが小さくなるため、電極配線の引き回しが短くなり、伝送損失を低減することができ良好なＥＩＴ信号を得ることができる。さらに、原子発振器１００では、基板１０および基板２０のサイズが小さくなるため、基板のたわみが小さくなり光源と光検出器との距離のばらつきが少なくなって光軸合せが容易になるとともに、良好なＥＩＴ信号が得られる。

（変形例１）
パッケージ５０と基板１０，２０との位置関係は、図１（ａ）の構成に限定されるものではない。図３は、本発明の実施の形態１に係る原子発振器のパッケージの種類を説明するための概略図である。図３（ａ）に示す原子発振器１００は、図１（ａ）の構成と同じく、パッケージ５０の外形に沿って内部空間５３が形成され、当該内部空間５３に基板１０および基板２０を配置してある。そのため、基板１０の長辺方向とパッケージ５０の外形の一辺とが平行になり、基板２０の長辺方向とパッケージ５０の外形の別の一辺とが平行になっている。

一方、図３（ｂ）に示す原子発振器１００ａは、図１（ａ）の構成と異なり、パッケージ５０の外形に対して４５度回転させた位置に内部空間５４が形成され、当該内部空間５４に基板１０および基板２０を配置してある。そのため、基板１０の長辺方向とパッケージ５０の外形の一辺との成す角度が４５度となり、基板２０の長辺方向とパッケージ５０の外形の別の一辺との成す角度が４５度となっている。このパッケージ外形、基板との成す角度は、４５度に限定するものではない。

（変形例２）
さらに、図１に示す原子発振器１００では、構成される基板が基板１０と基板２０との２つであったが、これに限定されない。図４は、本発明の実施の形態１の変形例に係る原子発振器の構成を説明するための概略図である。図４（ａ）は、パッケージ５０に収められた基板１０，２０，３０を、光検出器３が設けられた基板２０側から見た平面図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）の断面図である。なお、図４に示す原子発振器１０１において、図１に示す原子発振器１００と同じ構成については同じ符号を付して詳細な説明を省略する。

原子発振器１０１は、図４（ｂ）に示すように、パッケージ５０の底から順に光源１が設けられた基板１０、ガスセル用のヒータが設けられた基板３０、ガスセル２、光検出器３が設けられた基板２０が配置されている。

光源１が設けられた基板１０は、図４（ａ）に示すように矩形状であって、短辺に配線等を接続するための端子１１が形成されている。基板１０の長辺には、端子１１が形成されていない。同様に、光検出器３が設けられた基板２０は、図４（ａ）に示すように矩形状であって、短辺に配線等を接続するための端子２１が形成されている。基板２０の長辺には、端子２１が形成されていない。また、ガスセル用のヒータが設けられた基板３０は、図４（ａ）に示すように矩形状であって、短辺に配線等を接続するための端子３１が形成されている。基板３０の長辺には、端子３１が形成されていない。

また、原子発振器１０１では、基板２０の長辺方向が図中のＸ方向に配置され、基板１０の長辺方向が基板２０の長辺方向に対して６０度回転させた位置に配置され、基板３０の長辺方向が基板１０の長辺方向に対して更に６０度回転させた位置に配置されている。つまり、基板１０の長辺方向と基板２０の長辺方向と基板３０の長辺方向とのそれぞれの成す角度が均等に６０度となるように基板１０と基板２０と基板３０とが配置されている。そのため、光源１から光検出器３に至る光源方向（図中のＺ方向）から見て、それぞれの短辺に設けた端子１１と端子２１と端子３１とが重ならない位置となっている。よって、図４に示す原子発振器１０１であっても、基板１０、基板２０および基板３０のいずれのサイズを大きくする必要がなくパッケージ５０のサイズを小さくすることができる。なお、原子発振器１０１では、複数の基板１０，２０，３０が、それぞれの基板を光源方向に対する回転角度が均等になるように配置してある。

（変形例３）
さらに、図４に示す原子発振器１０１では、構成される基板が基板１０、基板２０および基板３０の３つであったが、これに限定されない。図５は、本発明の実施の形態１の別の変形例に係る原子発振器の構成を説明するための概略図である。図５（ａ）は、パッケージ５０に収められた基板１０，２０，３０，４０を、光検出器３が設けられた基板２０側から見た平面図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）の断面図である。なお、図５に示す原子発振器１０２において、図１に示す原子発振器１００と同じ構成については同じ符号を付して詳細な説明を省略する。

原子発振器１０２は、図５（ｂ）に示すように、パッケージ５０の底から順に光源１が設けられた基板１０、ガスセル用のヒータが設けられた基板３０、ガスセル２、磁場発生用のコイルが設けられた基板４０、光検出器３が設けられた基板２０が配置されている。

光源１が設けられた基板１０は、図５（ａ）に示すように矩形状であって、短辺に配線等を接続するための端子１１が形成されている。基板１０の長辺には、端子１１が形成されていない。同様に、光検出器３が設けられた基板２０は、図５（ａ）に示すように矩形状であって、短辺に配線等を接続するための端子２１が形成されている。基板２０の長辺には、端子２１が形成されていない。また、ガスセル用のヒータが設けられた基板３０は、図５（ａ）に示すように矩形状であって、短辺に配線等を接続するための端子３１が形成されている。基板３０の長辺には、端子３１が形成されていない。さらに、磁場発生用のコイルが設けられた基板４０は、図５（ａ）に示すように矩形状であって、短辺に配線等を接続するための端子４１が形成されている。基板４０の長辺には、端子４１が形成されていない。

また、原子発振器１０２では、基板２０の長辺方向が図中のＸ方向に配置され、基板１０の長辺方向が図中のＹ方向に配置されている。さらに、原子発振器１０２では、基板３０の長辺方向が基板１０の長辺方向に対して４５度回転させた位置に配置され、基板４０の長辺方向が基板２０の長辺方向に対して４５度回転させた位置に配置されている。つまり、基板１０から基板４０までのそれぞれの長辺方向の成す角度が均等に４５度となるように基板１０から基板４０までの基板が配置されている。そのため、光源１から光検出器３に至る光源方向（図中のＺ方向）から見て、それぞれの短辺に設けた端子１１から端子４１までの端子が重ならない位置となっている。よって、図５に示す原子発振器１０２であっても、基板１０、基板２０、基板３０および基板４０のいずれのサイズを大きくする必要がなくパッケージ５０を小型化することができる。なお、原子発振器１０２では、複数の基板１０，２０，３０，４０が、それぞれの基板を光源方向に対する回転角度が均等になるように配置してある。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態１に係る原子発振器１００では、パッケージの底側に光源１を配置する構成であった。しかし、この構成に限定されず、パッケージの底側に光検出器を配置する構成であってもよい。図６は、本発明の実施の形態２に係る原子発振器２００の構成を説明するための概略図である。図６（ａ）は、パッケージ５０に収められた基板１０，２０を、光検出器３が設けられた基板２０側から見た平面図である。図６（ｂ）は、図６（ａ）のＡ−Ａ線矢印方向から見た断面図である。図６（ｃ）は、図６（ａ）のＢ−Ｂ線矢印方向から見た断面図である。なお、図６に示す原子発振器２００において、図１に示す原子発振器１００と同じ構成については同じ符号を付して詳細な説明を省略する。

原子発振器２００は、図６（ｂ）に示すように、パッケージ５０の底から順に光検出器３が設けられた基板２０、ガスセル２、光源１が設けられた基板１０が配置され、パッケージ５０の開口部をリッド５１で蓋をしてある。つまり、原子発振器２００は、図１に示す原子発振器１００とは逆の配置になっている。

パッケージ５０の底面には、図６（ｃ）に示すように、光検出器３と接続して外部に信号を出力するための電極端子５５が設けてある。そのため、原子発振器２００のように光検出器３が設けられた基板２０をパッケージ５０の底側に配置することで、電極端子５５と光検出器３との距離が短くなる。電極端子５５と光検出器３との距離が短くなることで、光検出器３、電極端子５５間のラインが拾うノイズ量を低減することができＥＩＴ信号においてＳ／Ｎ比が向上する。また、原子発振器２００では、光検出器３を電極端子５５の近くに配置することで、ガスセル２から磁性体材料を含むリッド５１等までの距離が長くなり、ガスセル２を通り抜ける磁束分布が安定化して良好なＥＩＴ信号を得ることができる。

以上のように、原子発振器２００では、パッケージ５０が底面側に電極端子５５を有し、光検出器３をパッケージ５０の底面側に配置してあるので、光検出器３、電極端子５５間のラインが拾うノイズ量を低減することができＥＩＴ信号においてＳ／Ｎ比が向上する。

（変形例１）
原子発振器２００では、図６（ｂ）に示すように基板２０に光検出器３が設けられた構成であったが、これに限定されず光検出器をパッケージの底に配置してもよい。図７は、本発明の実施の形態２の変形例に係る原子発振器２０１の構成を説明するための概略図である。図７（ａ）は、Ｘ方向から見た断面図である。図７（ｂ）は、Ｙ方向から見た断面図である。なお、図７に示す原子発振器２０１において、図１に示す原子発振器１００と同じ構成については同じ符号を付して詳細な説明を省略する。

原子発振器２０１では、光検出器３を基板２０に設けるのではなく、パッケージ５０の底に配置してある。そのため、原子発振器２０１では、光検出器３を搭載する基板設計の自由度が向上する。また、基板２０にガスセル用のヒータが設けている場合、基板２０に光検出器３を設けないことで生じた領域を利用してヒータでの消費電力を低減することが可能となる電極配線を基板２０に形成することが可能となる。光検出器３を基板２０に設けないことで、光検出器３を基板２０に設けたガスセル用のヒータと分離することができ、ガスセル用のヒータからの熱の影響を光検出器３が受け難くなり、原子発振器２０１の信頼性が向上する。

（変形例２）
さらに、原子発振器では、ガスセルの位置決めのためにスペーサを配置する場合がある。以下の変形例では、スペーサを設けた原子発振器について説明する。図８は、本発明の実施の形態２の別の変形例に係る原子発振器の構成を説明するための概略図である。図８（ａ）は、光検出器３が設けられた基板２０にスペーサ６０を設けた原子発振器２０２の構成を図示している。原子発振器２０２では、基板２０にスペーサ６０を設けることで、ガスセル２の位置決めが容易になるだけでなく、基板２０に加わる応力を緩和することができる。そのため、原子発振器２０２では、基板２０のたわみが小さくなるので光源１と光検出器３との距離のばらつきが少なくなって光軸合せが容易になるとともに、良好なＥＩＴ信号が得られる。なお、図８（ａ）に示す原子発振器２０２において、図１に示す原子発振器１００と同じ構成については同じ符号を付して詳細な説明を省略する。

また、図８（ｂ）は、光源１が設けられた基板１０にスペーサ６１を設けた原子発振器２０３の構成を図示している。原子発振器２０３では、基板１０にスペーサ６１を設けることで、ガスセル２の位置決めが容易になるだけでなく、基板１０に加わる応力を緩和することができる。そのため、原子発振器２０３では、基板１０のたわみが小さくなるので光源１と光検出器３との距離のばらつきが少なくなって光軸合せが容易になるとともに、良好なＥＩＴ信号が得られる。なお、図８（ｂ）に示す原子発振器２０３において、図１に示す原子発振器１００と同じ構成については同じ符号を付して詳細な説明を省略する。

次に、基板にヒータを設けた場合のスペーサの配置について説明する。図９は、本発明の実施の形態２のさらに別の変形例に係る原子発振器の構成を説明するための概略図である。図９（ａ）は、光検出器３が設けられた基板２０にスペーサ６０ａを設けた原子発振器２０２ａの構成を図示している。原子発振器２０２ａでは、基板２０にヒータ９ａを設けているので、基板２０に形成されたヒータ電極等の配線を避けることができる形状のスペーサ６０ａを基板２０に設けている。これにより、原子発振器２０２ａでは、ヒータ９ａの機能を妨げることなく、ガスセル２の位置決めを容易にして、基板２０に加わる応力を緩和している。なお、図９（ａ）に示す原子発振器２０２ａにおいて、図１に示す原子発振器１００と同じ構成については同じ符号を付して詳細な説明を省略する。

図９（ｂ）は、光源１が設けられた基板１０にスペーサ６１ａを設けた原子発振器２０３ａの構成を図示している。原子発振器２０３ａでは、基板１０にヒータ９ｂを設けているので、基板１０に形成されたヒータ電極等の配線を避けることができる形状のスペーサ６１ａを基板１０に設けている。これにより、原子発振器２０３ａでは、ヒータ９ｂの機能を妨げることなく、ガスセル２の位置決めを容易にして、基板１０に加わる応力を緩和している。なお、図９（ｂ）に示す原子発振器２０３ａにおいて、図１に示す原子発振器１００と同じ構成については同じ符号を付して詳細な説明を省略する。

なお、スペーサ６０，６０ａ，６１，６１ａは、断熱機能が必要な部分には熱伝導率が小さな樹脂材などの材料を用い、熱伝導機能が必要な部分には熱伝導率が大きなアルミ等の材料を用いる。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３に係る原子発振器では、光源を加熱するヒータおよびガスセルを加熱するヒータの具体的な構成について説明する。図１０は、本発明の実施の形態３に係る原子発振器３００の構成を説明するための概略図である。図１０（ａ）は、パッケージ５０に収められた基板１０，２０を、光検出器３が設けられた基板２０側から見た平面図である。図１０（ｂ）は、図１０（ａ）のＡ−Ａ線矢印方向から見た断面図である。図１０（ｃ）は、図１０（ａ）のＢ−Ｂ線矢印方向から見た断面図である。なお、図１０に示す原子発振器３００において、図１に示す原子発振器１００と同じ構成については同じ符号を付して詳細な説明を省略する。

原子発振器３００は、図１０（ｂ）に示すように、パッケージ５０の底から順に光源１が設けられた基板１０、ガスセル２、光検出器３が設けられた基板２０が配置され、パッケージ５０の開口部をリッド５１で蓋をしてある。

光源１が設けられた基板１０は、図１０（ａ）に示すように矩形状であって、短辺に配線等を接続するための端子１１が形成されている。基板１０の長辺には、端子１１が形成されていない。さらに、基板１０には、光源１を囲む位置にヒータ９ａのヒータ電極の配線が形成され、当該配線の両端がそれぞれ端子１１に接続されている。

同様に、光検出器３が設けられた基板２０は、図１０（ａ）に示すように矩形状であって、短辺に配線等を接続するための端子２１が形成されている。基板２０の長辺には、端子２１が形成されていない。さらに、基板２０には、ガスセル２を囲む位置にヒータ９ｂのヒータ電極の配線が形成され、当該配線の両端がそれぞれ端子２１に接続されている。

また、光源１が設けられた基板１０は長辺方向を図中のＹ方向に配置し、光検出器３が設けられた基板２０は長辺方向を図中のＸ方向に配置している。つまり、基板１０の長辺方向と基板２０の長辺方向との成す角度が９０度となるように基板１０と基板２０とが配置されている。そのため、原子発振器３００では、基板１０に設けられたヒータ９ａに給電する方向と、基板２０に設けられたヒータ９ｂに給電する方向とが９０度異なっている。つまり、原子発振器３００では、ヒータ９ａの引き回し電極の配置とヒータ９ｂの引き回し電極の配置とが直交するので、それらの電極に流れる電流によって発生する磁束が互いに直交して互いに影響を受けなくなり、ノイズを低減することが可能になる。

（実施の形態４）
本発明の実施の形態４に係る原子発振器では、基板を台座で支持する構成につて説明する。図１１は、本発明の実施の形態４に係る原子発振器４００の構成を説明するための概略図である。図１１（ａ）は、パッケージ５０に収められた基板１０，２０を、光検出器３が設けられた基板２０側から見た平面図である。図１１（ｂ）は、図１１（ａ）のＢ−Ｂ線矢印方向から見た断面図である。なお、図１１に示す原子発振器４００において、図１に示す原子発振器１００と同じ構成については同じ符号を付して詳細な説明を省略する。

原子発振器４００では、図１１（ｂ）に示すように光検出器３が設けられた基板２０が実装部Ｄにおいて端子２１とパッケージ５０に設けられた電極（図示せず）とを電気的に接続している。一方、光源１が設けられた基板１０は、基板２０に対して長手方向が９０度回転して配置されているので、基板１０の長辺部分が非実装部Ｅにおいてパッケージ５０の台座部７０に支持されている。つまり、パッケージ５０は、図１１（ａ）に示すように、基板１０の端子１１が形成されていない長辺部分を支持する位置に少なくとも１つ以上の台座部７０が設けられている。

原子発振器４００では、Ｂ−Ｂ線矢印方向から見た断面図において、光検出器３が設けられた基板２０はパッケージ５０に実装されているが、光源１が設けられた基板１０は台座部７０に支持されているだけで実装されていない。さらに、基板１０は、端子１１を有していない辺（長辺部分）を少なくとも１つ以上の台座部７０で支持してある。そのため、原子発振器４００では、端子１１が形成されている方向（長辺方向）以外の方向（短辺方向）の応力が緩和されるので、基板１０のたわみを抑制して信頼性を向上させることができる。

（変形例）
さらに、本発明の実施の形態４に係る原子発振器では、ガスセルの位置決めのためにスペーサを配置する場合がある。以下の変形例では、スペーサを設けた原子発振器について説明する。図１２は、本発明の実施の形態４の変形例に係る原子発振器４０１の構成を説明するための概略図である。図１２（ａ）は、パッケージ５０に収められた基板１０，２０を、光検出器３が設けられた基板２０側から見た平面図である。図１２（ｂ）は、図１１（ａ）のＢ−Ｂ線矢印方向から見た断面図である。なお、図１２に示す原子発振器４０１において、図１に示す原子発振器１００と同じ構成については同じ符号を付して詳細な説明を省略する。

図１２（ｂ）は、光源１が設けられた基板１０にスペーサ７１を設けた原子発振器４０１の構成を図示している。原子発振器４０１では、台座部７０で支持された基板１０上にスペーサ７１を設けている。つまり、スペーサ７１は、図１２（ａ）に示すように台座部７０の上に配置されている。なお、図１２（ａ）では、台座部７０とスペーサ７１との位置関係を把握しやすくするため、基板１０，２０の図示を省略している。そのため、スペーサ７１は、図１２（ｂ）に示すように台座部７０に対して基板１０を押さえる構成になっている。よって、原子発振器４０１では、スペーサ７１で基板１０を押さえることで、さらに応力を緩和することができ、基板１０のたわみを抑制して信頼性を向上させることができる。

（その他の変形例）
前述の実施の形態に係る原子発振器では、量子干渉効果（ＣＰＴ）を利用して共鳴周波数を得る構成について説明したが、これに限られない。原子発振器の動作原理には、光とマイクロ波を利用した二重共鳴法と呼ばれる方法があり、前述の実施の形態に係る原子発振器は、二重共鳴法にも同様に適用することができる。

前述の実施の形態に係る原子発振器は、原子時計の基準発振器として使用することができると共に、基準発振器を必要とする携帯電話基地局の電子機器、携帯電話（スマートフォン）、カーナビケーションシステムのようなＧＰＳシステムを利用した位置情報を必要とする受信機などの電子機器に用いることができる。

前述の実施の形態に係る原子発振器は、特に制限がない限り、それぞれの実施の形態を自由に組み合わせてよい。例えば、実施の形態１に係る原子発振器１００に、実施の形態２の変形例２で説明したスペーサ６０，６１を組み合わせてもよい。また、実施の形態２に係る原子発振器２００に、実施の形態４で説明した台座部７０を組み合わせてもよい。

前述の実施の形態に係る原子発振器では、使用する基板に、耐熱性、電極形成性に優れ、低熱伝導率を有する断熱性材料を用いるのが好ましい。特に、１００μｍ以下の厚みの基板であって、ポリイミド（ＰＩ基板）、液晶ポリマー（ＬＣＰ基板）等の材料を用いるのが好ましい。また、使用する基板は、矩形状に限定されない。

前述の実施の形態に係る原子発振器では、複数の基板が光源方向に対してそれぞれ水平方向に配置されている場合を説明したが、これに限られず、必要なＥＩＴ信号が得られる範囲でそれぞれの基板が水平方向以外の方向に配置してもよい。また、前述の実施の形態に係る原子発振器では、それぞれの基板を光源方向に対する回転角度が均等になるように配置してある、場合を説明したが、これに限られず、少なくとも２つの基板において光源方向に対する回転角度が異なる位置に配置してあれば、どのような配置であってもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１光源、１ｂ，３ａプリント基板、２ガスセル、２ａ内部空間、２ｂ磁気シールド、２ｃバイアス磁場、２ｄ遮光部、３光検出器、４光学部材、５波長板、６，９温度コントロール回路、９ａ，９ｂヒータ、７光源波長制御回路、８周波数制御回路、１０アルカリ金属原子、１１放熱部材、１２熱伝導性の高い部材、１３減光フィルタ、１００，１００ａ原子発振器。

Claims

光源と、
アルカリ金属原子が封入された内部空間を有するガスセルと、
前記光源から出射され、前記ガスセルを透過した光を検出する光検出部と、
前記光源、前記ガスセルおよび前記光検出部を内包するパッケージとを備え、
前記パッケージは、前記光源を設けた第１基板と、前記光検出部を設けた第２基板とを少なくとも含む複数の基板を内包し、
前記第１基板および前記第２基板は、少なくとも基板の一辺または基板の対向する二辺に、少なくとも１つの端子をそれぞれ有し、
前記光源から前記光検出部に至る光源方向から見て、前記複数の基板のうちの少なくとも２つの基板の端子が重ならない位置となるように基板を配置してある、原子発振器。
前記複数の基板は、前記光源方向に対してそれぞれ水平方向に配置し、
前記複数の基板のうちの少なくとも２つの基板は、前記光源方向に対する回転角度が異なる位置に配置してある、請求項１に記載の原子発振器。
前記複数の基板は、それぞれの基板を前記光源方向に対する回転角度が均等になるように配置してある、請求項２に記載の原子発振器。
前記第１基板と前記第２基板とは、前記光源方向に対する回転角度が９０度異なるように配置してある、請求項２に記載の原子発振器。
前記パッケージは、底面側に電極を有し、
前記光検出部を前記パッケージの前記底面側に配置してある、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の原子発振器。
前記複数の基板は、端子を有していない辺を少なくとも１つ以上の台座で支持してある、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の原子発振器。
前記複数の基板は、耐熱性を有する断熱性材料であり、それぞれの基板の厚みが１００μｍ以下である、請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の原子発振器。
請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の前記原子発振器を備える電子機器。