JPH02260920A - 原子発振器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概　要〕 水晶発振器を制御して高精度周波数発生源とするための
原子発振器に関し、 電源投入直後の立ち上げ時の短期間に起こる共鳴検出器
の誤動作を防止することが出来る原子発振器を提供する
ことを目的とし、 電源を投入した直後の空胴共振器内恒温槽のヒータ電圧
による温度情報を制御手段が記憶すると、制御手段は制
御スイッチ手段を開閉して共鳴信号をゼロ又はオフにし
、空胴共振器内恒温槽が予め決められた温度に達すると
制御スイッチ手段を基に戻し、空胴共振器内恒温槽が一
定温度を保つようになった後、外部温度が下がりヒータ
電圧が増加した時点では、制御手段は制御スイッチ手段
を現状状態を維持するように制御するように構成する。

マイクロ波のこの入力周波数が基準周波数と一致した時
、共鳴信号として変調周波数（これを以下基本波と称す
る）及び２倍波が得られる。

このような共鳴周波数は温度により変わるため、常に一
定の温度に保つための恒温槽内に設置されている。

しかし、電源電圧を投入し恒温槽が予め決められた一定
温度に達するまでは温度分布が一定でないため共鳴信号
が不安定となる可能性があり、従ってこの電源型投入直
後の立ち上げの間の共鳴信号は何らかの方法で除去する
必要がある。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、水晶発振器を制御して高精度周波数発生源と
するための原子発振器に関する。

原子発振器は、ルビジウムランプを備えると共に、この
ルビジウム原子の遷移周波数を基準して入力周波数（通
常、数百Ｈｚの低周波で位相変調がかけられている）を
共鳴させる空洞共振器を備えている。

〔従来の技術〕

第５図は原子発振器の従来例を説明する図、第６図は原
子共鳴器内恒温槽の温度制御回路を説明する図をそれぞ
れ示す。

第５図に示す原子発振器は原子共鳴器１．水晶発振器２
及び共鳴検出器３から構成され、上記原子共鳴器１は次
に説明するルビジウムランプ１２ａを励振するランプ励
振器１１と、ルビジウム光を発光するルビジウムランプ
１２ａを有するランプブロック部１２と、 ルビジウムランプ１２ａの温度を制御するルビジウムラ
ンプ用温度制御回路１３と、 ルビジウム周波数ｒｒｂ（数ＧＨ２）を基準周波数とし
て、数百Ｈｚの低周波ｆうで位相変調した入力周波数ｆ
　ｉ＋＋を基準周波数に共鳴させる空洞共振器１４（但
し、符号１４ａは共振セルを示す）と、 空洞共振器１４を内部に配置す°る図示省略した恒温槽
の温度を制御する空洞共振器用温度制御回路１５と、 共鳴光を検出する光検出器１６と、光検出器１６の出力
を一定レベルにする前置増幅器１７を備えている。

又、水晶発振器２は原子共鳴器ｌから出力される共鳴信
号■の基本波を増幅する基本波増幅器２１と、 基本波増幅器２１の出力を同期検波する同期検波器２２
と、 同期検波器２２の出力を積分する積分器２３と、水晶片
が有する自己共振周波数を自己発振周波数ｆ８゜として
出力すると共に積分器２３の出力電圧によりその自己発
振周波数ｆ　ＸＯが可変される電圧制御水晶発振器（以
下ｖｃｘｏと称する）２４と、 ＶＣＸＯ２４の出力を低周波ｆ、で位相変調を掛は逓倍
する逓倍合成変調器２５及び低周波ｆ。

を発振する低周波・発振器２６と、 逓倍合成変調器２５の出力周波数（本例では９０ＭＨｚ
とする）を逓倍し、空洞共振器１４に対する入力周波数
ｆ　ｉｎとする逓倍器２７とを具備している。

更に、共鳴検出器３は共鳴信号■中の２倍波を検出し増
幅する２倍波増幅器３１と、 ２倍波増幅器３１からの出力から入力周波数ｒｉがルビ
ジウムの遷移周波数で制御されている（共鳴状態にある
ことを意味し、これをロック状態にあると称する）こと
を検出するロック検出器３２と、 ロック検出器３２でロック状態を検出したことを表示す
るロック表示器３３を具備している。

尚、第６図は第５図で説明したルビジウムランプ温度制
御回路１３及び空洞共振器温度制御回路１５の回路例を
示し、ヒータ（ロ）とトランジスタＴＲが直列に接続さ
れており、そこへ電源電圧ｖ８が印加されている。

又、トランジスタＴＲは内部温度を検出する図示省略し
た温度センサによりベースＢ電位をオン／オフすること
により、コレクタＣ−エミッタ８間の導通／非導通を制
御して、ヒータ（５）の電圧を制御し恒温槽内の温度を
予め決められた一定温度に制御するように動作する。

尚、ルビジウムランプ１２ａを設置する恒温槽は約９０
　’Ｃ１空洞共振器１４の恒温槽は約７０°Ｃが安定温
度として設定されている。

又、第６図の点線で引き出される符号■に付いては後述
する。

以下第５図と第６図に基づき本例の動作を説明する。

原子発振器は、一般にＶＣＸＯ２４の自己発振周波数ｆ
、、（通常、１０−６・−７の周波数精度を存する）を
ルビジウムの遷移周波数で制御し、例えば基準クロック
の周波数発生源や、放送機器の基準周波数発生源として
用いるものである。

原子共鳴器１から出力される共鳴信号■は、ルビジウム
の遷移周波数と水晶発振器２より作られるマイクロ波の
入力周波数ｆｉＲとが一致した時に出力されるもので、
この共鳴信号■は既述の通り変調周波数である基本波ｆ
Ｌと２倍波２ｆ、が得られる。

この基本波ｆＬと２倍波２ｆ、は、前置増幅器１７内で
それぞれ独立に増幅され、基本波ｆ１は水晶発振器２内
同期検波器２２で同期検波され、積分器２３を介してＶ
ＣＸＯ２４に印加する電圧として用いられる。

一方、２倍波２ｆＬは原子共鳴の検出用、即ち原子共鳴
してロック状態にあることを表示する共鳴検出器３で用
いられる。

次に、原子発振器の電源立ち上げ時には、原子共鳴器１
に使用している恒温槽の温度が安定（ルビジウムランプ
１２ａ用恒温槽は約９０°Ｃ１空洞共振器１４用恒温槽
は約７０°Ｃ）してから、ルビジウムランプ１２ａを点
灯させ原子発振器を起動する方式を従前に採っていたが
、起動特性改良のため現在は電源投入直後にルビジウム
ランプ１２ａを点灯させる方式を採っている。

この場合、ルビジウムランプ１２ａの発光成分は、９０
″Ｃ以下の低温の時は発光が不安定なキャリアガス光が
支配的となり、９０°Ｃ以上になるとキャリアガス光に
代わって安定な発光が得られるルビジウム光が支配的に
なり、安定したルビジウムの遷移周波数が得られ、原子
共鳴器１が正常動作をする。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述のように電源投入直後にルビジウムランプ１２ａを
点灯させる方式を採っている場合、ルビジウムランプ１
２ａの点灯直後から原子発振器が正常動作に入るまでの
間、原子共鳴器１の出力として共鳴信号■と無関係な数
ＫＨｚの低周波信号が出力され、これにより共鳴検出器
３が誤動作しロック表示器３３がオン／オフを繰り返す
現象が現れる。

これは、ルビジウムランプ１２ａの発光成分のうち、低
温で支配的なキャリアガス光の発光不安定性の影響と考
えられる。

本発明は、電源投入直後の立ち上げ時の短期間に起こる
共鳴検出器の誤動作を防止することが出来る原子発振器
を提供することを目的とする。

（課題を解決するための手段〕 第１図は本発明の原子発振器の原理を説明する図を示す
。

第１図に示す本発明の原子発振器の原理図は、第５図で
説明したのと同様な動作をする原子共鳴器１．水晶発振
器２に、制御手段５０と制御スイッチ手段６０を新たに
設は構成し、 本発明の制御手段５０は、原子や分子の持つ共鳴周波数
に対して入力周波数ｆ　ｉｎを共鳴させる時原子共鳴器
１内に配置されている空洞共振器内恒温槽のヒータ電圧
の電源立ち上げ時の温度を温度情報■として記憶し、こ
の温度情報■に基づき制御スイッチ手段６０を制御する
ものであり、制御スイッチ手段６０は、原子共鳴器１か
ら出力される共鳴信号■の出力を制御手段５０の制御の
基にゼロ又はオフに制御するものであり、かかる手段を
具備することにより本課題を解決するための手段とする
。

〔作　用］ 原子発振器に電源を投入した直後の空胴共振器内恒温槽
の温度情報■を制御手段５０内に引き込み記憶させ、原
子発振器に投入した電源により空洞共振器内恒温槽が予
め決められた温度に達するまでは、原子共鳴器ｌから出
力する共鳴信号■を制御スイッチ手段６０を介して一定
期間ゼロ又はオフにすることにより、共鳴検出の誤動作
を確実に防止することが出来ると共に、温度を記憶する
ことにより空胴共振器内恒温槽内温度が立ち上がり、一
定温度に達した後外部温度が低下してヒータ電圧が増加
しても、制御スイッチ手段６０はもとの状態を維持し、
安定な発振状態を維持することが可能となる。

〔実施例〕

以下本発明の要旨を第２図〜第４図に示す実施例により
具体的に説明する。

第２図は本発明における原子発振器の実施例を説明する
図、第３図は本発明における原子発振器の他の実施例を
説明する図、第４図は本発明の原子発振器における制御
回路の実施例を説明する図をそれぞれ示す。尚、全図を
通じて同一符号は同一対象物を示す。

第２図及び第３図に示す本発明における原子発振器の実
施例は、第１図で説明した制御手段５０として制御回路
５０ａ、制御スイッチ手段６０として制御スイッチ回路
６０ａ、６０ｂから構成した例である。

又、第２図に示す実施例は動作により接点を閉じるスイ
ッチＳＷを備える制御スイッチ回路６０ａを前置増幅器
１７と並列に配置し、電源を投入した直後前置増幅器１
７の出力である共鳴信号■をゼロに制御する場合の実施
例である。

一方、第３図に示す実施例は動作により接点を開くスイ
ッチＳＷを備える制御スイッチ回路６０ｂを前置増幅器
１７と直列に接続し、電源を投入した直後前置増幅器１
７の出力である共鳴信号■をオフに制御する場合の実施
例である。

次に、第４図は上述の制御スイッチ回路６０ａ。

６０ｂの開閉を制御する制御回路５０ａの構成を示し、
その構成はレベル判定器５１と、パワーオンリセット回
路５２と、記憶回路５３とを備えている。

第４図に示す上述のレベル判定器５１は、原子共鳴器ｌ
内空洞共振器温度制御回路１５からの電圧レベルを予め
設定されている設定レベルと比較して電源投入時の電圧
レベルであることを判定するものであり、 パワーオンリセット回路５２は、電源を投入した時に記
憶回路５３をリセットするリセット信号を出力するもの
であり、 記憶回路５３は、電源を投入した時出力されるレベル判
定器５１からの信号を記憶し、パワーオンリセット回路
５２からのリセット信号でクリアするものである。

次に、第２図〜第４図及び第６図に恭づき本実施例の動
作を説明する。

第４図に示す制御回路５０ａは、原子発振器が買電源で
動作する場合、電源投入直後は第６図に示す温度制御回
路１３．１５内ヒータ（５）に電源電圧■８が印加され
るためヒータ（ハ）に直列に接続されているトラジスタ
ＴＲのコレクタＣ電圧は電源電圧■８と同一となる。

次に、温度が高くなって来るとトラジスタＴＲのコレク
タＣ電圧はグランドＧに近づき、設定温度に応じた電力
がヒータ（５）に印加されるようにトラジスタＴＲの電
圧が制御される。

このトラジスタＴＲのコレクタＣ電圧が電源電圧Ｖ８以
外の時を温度情報■（第６図の点線に引報■引き込み時
を示す＋ｌ　Ｈ＋１又は°“ＨＩ＋と逆のレベルを有す
る°“Ｌ”の信号として出力する。

記憶回路５３は電源投入直後にパワーオンリセット回路
５２でリセットされ、レベル判定回路５１の°“Ｌ　Ｉ
＋から“ｌ　Ｈｌ”に至る１回目の変化（恒温槽温度が
非安定状態から安定状態となる最初の変化）のみをラッ
チし、その出力により制御スＬ“から“′Ｈ゛に至る２
回目以降の変化は、リセットされないため受付けないよ
うに構成されている。

本発明における第２図の実施例は、ルビジウムランプ１
２ａを点灯させた直後の不要波の影響を除去するために
、原子共鳴器１内前置増幅器１７をショートするための
制御スイッチ回路６０ａを配設し、この内部のスイッチ
ＳＷを最も立ち上がり時間の遅い（熱容量の大きい）空
洞共振器１４内恒温槽のヒータ（ハ）電圧を検出するこ
とにより原子共鳴器１内前置増幅器１７を制御スイッチ
回路６０ａにてショートするように制御している。

空洞共振器１４内恒温槽は電源投入直後から加熱され始
め、僅かに後れてルビジウムランプ１２ａが点灯する。

このルビジウムランプ１２ａが点灯を開始して空洞共振
器１４内恒温槽が７０°Ｃ程度で安定するまでの数分〜
十数骨の間、制御スイッチ回路６０ａ内スイツチＳＷを
制御回路５０ａの制御の基に閉じる。

空洞共振器１４内恒温槽が７０°Ｃ程度で安定域に達す
る頃にはルビジウムランプ１２ａ内恒温槽も９０°Ｃ以
上の安定域に達している（これは、ルビジウムランプ１
２ａ内恒温槽の熱容量が空洞共振器１４内恒温槽の熱容
量より小さいため）ため、ルビジウムランプ１２ａの発
光も安定する。

よって、共鳴信号■から共鳴時点を検出する共鳴検出器
３には、制御スイッチ回路６０ａ内スイツチＳＷが閉じ
ている間は不要波をはじめ何ら信号が入力されない状態
となり、これにより誤動作もなくなる。

そして、空洞共振器１４内恒温槽の温度情報■が安定状
態に達したことを制御回路５０ａ内レベル判定器５１が
検出すると、制御スイッチ回路６０ａ内スイツチＳＷを
開き、基本波増幅器２１から逓倍器２７で空洞共振器１
４へ入力周波数ｆ　＋ｎを戻す周波数制御ループを動作
させる。

一方、第３図に示す実施例は原子共鳴器１内前置増幅器
１７をショートして、その出力をゼロにする代わりに原
子共鳴器１内前置増幅器Ｉ７と水晶発振器２及び共鳴検
出器３との間に制御スイッチ回路６０ｂを設け、空洞共
振器１４内恒温槽が７０°Ｃ程度で安定するまでの数分
〜十数骨の間、制御スイッチ回路６０ｂ内スイツチＳＷ
を開くように制御回路５０＋で制御し、第２図で説明し
た実施例と同様な効果を得る実施例である。

又、−度一定温度に立ち上がると外温か下がり温度制御
回路１５内トランジスタＴＲのコレクタＣ電圧が増加し
ても、制御回路５０ａ内記憶回路５３により制御スイッ
チ回路６０ａ、６０ｂ内スイツチＳＷはそのままの現状
状態を維持し、安定な周波数を得る動作が継続される。

〔発明の効果〕

以上のような本発明によれば、電源投入直後の不安定期
間を除去し、常に安定した周波数が得られる原子発振器
を提供することが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原子発振器の原理を説明する図、第２
図は本発明における原子発振器の実施例を説明する図、 第３図は本発明における原子発振器の他の実施例を説明
する図、 第４図は本発明の原子発振器における制御回路の実施例
を説明する図、 第５図は原子発振器の従来例を説明する図、第６図は原
子共鳴器内恒温槽の温度制御回路を説明する図、 をそれぞれ示す。 図において、 １は原子共鳴器、　　　　２は水晶発振器、３は共鳴検
出器、　　　　１１はランプ励振器、１２はランプブロ
ック部、 １２ａはルビジウムランプ、 １３．１５は温度制御回路、 １４は空洞共振器、　　　１４ａは共振セル、１６は光
検出器、　　　　１７は前置増幅器、２１は基本波増幅
器、　２２は同期検波器、２３は積分器、　　　　２４
はｖｃｘｏ、２５は逓倍合成変調器、２６は低周波発振
器、２７は逓倍器、　　　　　３１は２倍波増幅器、３
２はロック検出器、　　３３はロック表示器、５０は制
御手段、　　　　５０ａは制御回路、５１はレベル判定
器、 ５２はパワーオンリセット回路、 ５３は記憶回路、 ６０は制御スイッチ手段、 ６０ａ、６０ｂは制御スイッチ回路、 ■（温度情報） 第１図 水発日１１＋＝−ｈける原子臂Ｉ凄ＪＬのイ七の丈鋼し
υ’ｌ）説明する日 庵３　口 半４目

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 数百Ｈｚの低周波で位相変調した水晶発振器（２）から
   の入力周波数（ｆ＿ｉ＿ｎ）が、原子や分子の持つ基準
   となる共鳴周波数と一致した時前記入力周波数（ｆ＿ｉ
   ＿ｎ）の変調周波数と２倍波が得られる共鳴信号（［３
   ］）を原子共鳴器（１）で発生し、前記入力周波数（ｆ
   ＿ｉ＿ｎ）を前記共鳴信号（［３］）で変調制御する原
   子発振器であって、 前記共鳴信号（［３］）を発生する前記原子共鳴器（１
   ）に設置されている空胴共振器を一定温度に保つための
   恒温槽のヒータ電圧の電源立ち上げ時の温度を温度情報
   （［１］）として記憶する制御手段（５０）と、 前記原子共鳴器（１）から発生する該共鳴信号（［３］
   ）を前記制御手段（５０）からの制御信号に基きゼロ又
   はオフにする制御スイッチ手段（６０）とを設け、 電源を投入した直後の前記空胴共振器内恒温槽のヒータ
   電圧による該温度情報（［１］）を前記制御手段（５０
   ）が記憶すると、前記制御手段（５０）は前記制御スイ
   ッチ手段（６０．）を開閉して該共鳴信号（［３］）を
   ゼロ又はオフにし、前記空胴共振器内恒温槽が予め決め
   られた温度に達すると前記制御スイッチ手段（６０）を
   基に戻し、前記空胴共振器内恒温槽が一定温度を保つよ
   うになった後、外部温度が下がり前記ヒータ電圧が増加
   した時点では、前記制御手段（５０）は前記制御スイッ
   チ手段（６０）を現状状態を維持するように制御するこ
   とを特徴とする原子発振器。