JPH0761013B2

JPH0761013B2 - セシウム原子発振器

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Publication number: JPH0761013B2
Application number: JP63179614A
Authority: JP
Inventors: 義文中島; 一治千葉; 秀夫住吉
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1988-07-19
Filing date: 1988-07-19
Publication date: 1995-06-28
Anticipated expiration: 2010-06-28
Also published as: JPH0229126A; US4914403A; EP0351780A2; EP0351780A3; CA1319179C

Description

【発明の詳細な説明】〔目次〕概要産業上の利用分野従来の技術発明が解決しようとする課題課題を解決するための手段作用実施例 I.実施例と第１図との対応関係 II.実施例の構成 III.実施例の動作（ｉ）１回目のスイープ時の動作（ii）２回目のスイープ時の動作 IV.実施例のまとめ V.発明の変形態様発明の効果〔概要〕セシウム原子の共鳴現象を利用して高精度出力を得るセ
シウム原子発振器に関し、帰還ループの利得を大きくすると共に、水晶発振器の可
変範囲補正の手間を低減することを目的とし、水晶発振器と、セシウムビーム管と、変調手段と、発振
器制御手段とを有するセシウム原子発振器において、水
晶発振器の出力周波数を変化させるスイープ手段と、セ
シウムビーム管から出力される変調周波数の２倍の周波
数出力の中から最大値を保持する最大値保持手段と、こ
の最大値とセシウムビーム管から出力される２倍の周波
数出力とを比較する比較手段と、水晶発振器を制御する
ための帰還ループを閉じるループ接続手段とを備え、水
晶発振器の出力周波数を所定の範囲で変化させたとき
に、最大値保持手段に保持されている最大値とセシウム
ビーム管の出力とを比較し、所定の関係が成立したとき
にループ接続手段に指示を送って帰還ループを閉じるよ
うに構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、セシウム原子発振器に関し、特に、セシウム
原子の共鳴現象を利用して高精度出力を得るセシウム原
子発振器に関するものである。

〔従来の技術〕

一般に、原子発振器は、水晶発振器の出力周波数を原子
あるいは分子の吸収スペクトルに基づいて制御するもの
である。

第４図に、従来のセシウム原子発振器の構成を示す。

従来のセシウム原子発振器は、水晶発振器411,変調器41
3,発振器415,周波数合成器417,セシウムビーム管（以後
CBTと称する）419,第１増幅器421,第２増幅器423,ロッ
ク回路425,同期検波器427,積分器429を備えている。

水晶発振器411は、原子発振器として所定周波数の出力
（例えば10M Hz）を得るためのものである。

また、CBT419は、セシウムビーム発生器，共鳴部，検出
器等を備えており、この共鳴部において所定周波数（約
9.192G Hz）付近のマイクロ波をセシウムビームに供給
し、このときの共鳴現象を検出器で検出して出力する。

第５図に、CBT419における共鳴パターンを示す。図にお
いて、横軸はマイクロ波の周波数を、縦軸は共鳴の大き
さを表している。実際にこのCBT419において共鳴を引き
起こすマイクロ波の周波数は、変調器413によって水晶
発振器411の出力を発振器415の出力（例えば100Hz）で
位相変調したものを、更に周波数合成器417で合成した
ものである。従って、ある位相変調されたマイクロ波に
対するCBT419の出力もある交流成分を持っており、共鳴
の大きさはこの交流成分の振幅の大きさに比例し、スペ
クトルのピーク点（a,b,c点等）を境にして位相が180度
反転する。

セシウム原子発振器は、このCBT419の出力（交流出力）
に応じて水晶発振器411の周波数を制御するものであ
る。CBT419の出力の中の基本波（CBT419に供給されるマ
イクロ波の変調周波数と同じ周波数の信号）を第１増幅
器421で増幅し、その増幅出力を同期検波器427で検波す
る。積分器429は、この同期検波器427の検波出力を積分
して、積分値に応じた電圧を水晶発振器411に供給す
る。水晶発振器411はこの供給電圧に応じて制御され
る。このようにして、水晶発振器411の出力に応じた帰
還ループが形成されており、水晶発振器411の出力周波
数を極めて高精度に一定に保つことが可能となる。

尚、このセシウム原子発振器の起動時には、第２増幅器
423によって２倍波（基本波の２倍の周波数の信号であ
り、スペクトルのピーク点に相当するマイクロ波を供給
したときに得られる（ピーク点を境にして出力の位相が
反転するため））を増幅し、この増幅出力に応じてロッ
ク回路425が動作する。ロック回路425は、スペクトルの
ピーク点に対応して積分器429に指示を送り、以後、水
晶発振器411の帰還ループが形成される。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、上述した従来の発振器方式にあっては、帰還
ループの利得が小さいという問題点があった。

水晶発振器411は電源を投入した直後は第６図に示され
る周波数過渡応答を示すため、安定した後に所望のピー
ク点（ｂ点）のみを含むように水晶発振器411の可変範
囲（制御範囲）を設定する必要があり、水晶発振器411
の可変範囲を小さくしなければならない。このため、帰
還ループの利得は小さくなる。

また、この水晶発振器411の可変範囲は経年変化によっ
て変化（シフト）するため、この経年変化によって他の
ピーク点（a,c点）が可変範囲に含まれないような高級
な水晶発振器を使用するか、この可変範囲を補正する手
間がかかるという問題点があった。

本発明は、このような点にかんがみて創作されたもので
あり、水晶発振器の可変範囲を大きくすることにより、
帰還ループの利得を大きくすることができ、かつ水晶発
振器の可変範囲補正の手間を低減するようにしたセシウ
ム原子発振器を提供することを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

第１図は、本発明のセシウム原子発振器の原理ブロック
図である。

図において、所定周波数の出力を得る水晶発振器111
と、セシウムビーム管115と、水晶発振器111の出力に応
じて、所定の変調周波数で変調した信号をセシウムビー
ム管115に供給する変調手段113と、セシウムビーム管11
5の出力に応じて水晶発振器111の出力周波数を制御する
発振器制御手段117とを有するセシウム原子発振器にお
けるスイープ手段151は、水晶発振器111に指示を送り、
水晶発振器111の出力周波数を所定の範囲で変化させ
る。

最大値保持手段131は、セシウムビーム管115から出力さ
れる変調周波数の２倍の周波数出力の中から、最大値を
保持する。

比較手段141は、最大値保持手段131に保持された最大値
と、セシウムビーム管115から出力される２倍の周波数
出力とを比較する。

ループ接続手段121は、水晶発振器111を制御するための
帰還ループを閉じる。

全体として、スイープ手段151によって水晶発振器111の
出力周波数を所定の範囲で変化させたときに、最大値保
持手段131に保持されている最大値とセシウムビーム管1
15の出力とを比較手段141によって比較し、所定の関係
が成立したときにループ接続手段121に指示を送って帰
還ループを閉じるように構成されている。

〔作用〕

スイープ手段151から水晶発振器111に指示を送り、水晶
発振器111の出力周波数を所定の範囲で変化させる。こ
のときセシウムビーム管115から出力される２倍周波数
出力（水晶発振器111からセシウムビーム管115に供給さ
れる信号の変調周波数の２倍の周波数の出力）の最大値
を最大値保持手段131に保持する。

最大値保持手段131に最大値を保持した後、再度スイー
プ手段151から指示を送り、水晶発振器111の出力信号を
所定の範囲で変化させる。このとき、比較手段141にお
いて、最大値保持手段131に保持されている最大値とセ
シウムビーム管115の２倍周波数出力とを比較し、所定
の関係が成立したときに比較手段141からループ接続手
段121に指示を送る。ループ接続手段121は、この指示に
応じて水晶発振器111を制御するための帰還ループを閉
じる。

本発明にあっては、水晶発振器111から出力される信号
の周波数を所定の範囲で変化させたときのセシウムビー
ム管115の２倍周波数出力の最大値を保持しておき、セ
シウムビーム管115の２倍周波数出力とこの最大値とで
所定の関係が成立（例えば一致）したときに帰還ループ
を閉じることにより、水晶発振器111の出力の可変範囲
を大きくとることができるので、帰還ループの利得を大
きくすると共に、水晶発振器の可変範囲を補正する手間
を低減することが可能となる。

〔実施例〕

以下、図面に基づいて本発明の実施例について詳細に説
明する。

第２図は、本発明の一実施例におけるセシウム原子発振
器の構成を示す。

I.実施例と第１図との対応関係ここで、本発明の実施例と第１図との対応関係を示して
おく。

水晶発振器111は、水晶発振器211に相当する。

変調手段113は、変調器213,発振器215,周波数合成器217
に相当する。

セシウムビーム管115は、CBT219に相当する。

発振器制御手段117は、積分器223,同期検波器225,第１
増幅器227に相当する。

ループ接続手段121は、リレー221,駆動回路243に相当す
る。

最大値保持手段131は、第２増幅器231,ピーク値ホール
ド回路233に相当する。

比較手段141は、第２増幅器231,比較器241に相当する。

スイープ手段151は、スイープ回路251,単安定マルチバ
イブレータ253に相当する。

以上のような対応関係があるものとして、以下本発明の
実施例について説明する。

II.実施例の構成第２図において、本発明実施例のセシウム原子発振器
は、セシウム原子発振器としての所定周波数の出力を得
る水晶発振器211と、帰還ループを形成して水晶発振器2
11の出力周波数を制御するために、変調器213,発振器21
5,周波数合成器217,CBT219,積分器223,同期検波器225及
び第１増幅器227を備えている。

変調器213は、水晶発振器211の出力（例えば10M Hz）を
発振器215の出力周波数（例えば100Hz）で位相変調し、
更に周波数合成器217は、この変調器213の出力から所定
周波数の信号（セシウム原子の共鳴現象を生じる9.192G
Hz付近の周波数であり、位相変調がかかった信号）を
得る。

CBT219からは周波数合成器217から供給される信号の周
波数に応じた出力が取り出され、この出力の中の基本波
を第１増幅器227で増幅した後に同期検波器225で同期検
波し、更にこの検波出力を積分器223で積分する。積分
器223の出力（電圧）は、水晶発振器211に供給されてお
り、この出力値に応じて水晶発振器211の出力周波数が
制御される。

また、この原子発振器は、電源投入後にスペクトルの所
望のピーク点（第５図のｂ点）で制御を行なう帰還ルー
プを形成するタイミングを制御するために、２倍波を増
幅する第２増幅器231と、第２増幅器231で増幅した２倍
波に基づいてスペクトルのピークを検出するロック回路
237と、第２増幅器231の出力の中の最大値（CBT219の２
倍波出力の振幅の最大値）を保持するピーク値ホールド
出力233と、２入力の比較を行なう比較器241と、所定の
範囲で出力電圧を変化させるスイープ回路251と、単安
定マルチバイブレータ253と、入力電圧を所定値と比較
する電圧比較器261と、３つのリレー221,235,257と、各
リレーを駆動する２つの駆動回路243,255とを備えてい
る。

III.実施例の動作次に、上述した本発明実施例のセシウム原子発振器の動
作を説明する。

第２増幅器231は、リレー235を介してピーク値ホールド
回路233あるいは比較器241の何れか一方に接続されてお
り、初期状態ではピーク値ホールド回路233に接続され
ている。単安定マルチバイブレータ253は、リレー257を
介してスイープ回路251に接続されており、初期状態で
はこの接続はオン状態にある。また、水晶発振器211
は、リレー221を介して積分器223あるいはスイープ回路
251の何れか一方に接続されており、初期状態ではスイ
ープ回路251に接続されている。

いま、スイープ回路251の制御によって２回のスイープ
（水晶発振器211の出力周波数のスイープ動作）を行な
う。このとき、１回目のスイープにおいて２倍波の最大
振幅を保持する動作を行ない、２回目のスイープにおい
て、この最大振幅に等しい２倍波振幅を得たときにセシ
ウム原子発振器の帰還ループを閉じる動作を行なうもの
とする。

（ｉ）１回目のスイープ時の動作セシウム原子発振器に電源投入後、水晶発振器211の出
力周波数が共鳴パターン領域に入ると積分器223の出力
電圧が所定値に達し、電圧比較器261はこの積分器223の
出力電圧を検出して検出回路239に指示を送る。

また、共鳴パターン領域においては、CBT219の出力の中
の２倍波が極大になる点が存在するため、この極大点
（ａ点）をロック回路237が検出して検出回路239に指示
を送る。

検出回路239は、共鳴パターン領域に入り、積分器223の
出力電圧が所定値を越え、しかもロック回路237が動作
したときに、単安定マルチバイブレータ253に対して指
示を送る。単安定マルチバイブレータ253は、検出回路2
39からの指示に応じて、１ショット出力（矩形波出力）
をスイープ回路251及び駆動回路255に供給する。

なお、本実施例に示す動作は起動時に１回だけ必要であ
るため、検出回路239から単安定マルチバイブレータ253
に送る指示は１回のみとする。

第３図に、単安定マルチバイブレータ253から出力され
る矩形波出力及びこの矩形波出力に対応するスイープ回
路251の出力を示す。スイープ回路251は、例えば演算増
幅器，抵抗，コンデンサで構成された積分器であり、単
安定マルチバイブレータ253の出力がハイ状態のときに
積分が行なわれる。第３図のＡ領域はこのハイ状態を示
しており、スイープ回路251の積分出力がリレー221を介
して水晶発振器211に供給される。

水晶発振器211の出力周波数は、スイープ回路251の積分
出力（電圧値）に応じて制御されるため、単安定マルチ
バイブレータ253から出力される信号がハイ状態のとき
に、水晶発振器211の出力周波数が変化し、１回目のス
イープが行なわれる。

また、単安定マルチバイブレータ253の出力は駆動回路2
55に供給されており、駆動回路255は、単安定マルチバ
イブレータ253の出力に応じてリレー235の接続切替えを
行なう。ここでは、単安定マルチバイブレータ253の出
力がハイ状態のときに第２増幅器231とピーク値ホール
ド回路233を接続し、ロー状態のときに第２増幅器231と
比較器241を接続する。

従って、１回目のスイープにおいては、第２増幅器231
の出力端がピーク値ホールド回路233に接続された状態
にあり、CBT219の出力の中の２倍波を増幅した信号がピ
ーク値ホールド回路233に供給される。ピーク値ホール
ド回路233は、供給される信号の振幅の最大値を保持す
るため、第４図のｂ点に対応した２倍波を増幅した信号
がピーク値ホールド回路233に保持されることになる。

（ii）２回目のスイープ時の動作単安定マルチバイブレータ253の出力がロー状態（第３
図のＢ領域）になると、スイープ回路251の出力はＡ領
域とは反対方向に変化する。このため、水晶発振器2111
の出力周波数は１回目のスイープ時とは反対方向に変化
して２回目のスイープが行なわれる。

このとき、駆動回路255の指示に応じてリレー235の接続
状態が切り替えられ、第２増幅器231の出力端が比較器2
41に接続された状態になる。

２回目のスイープ時に比較器241は、ピーク値ホールド
回路233に保持されている値と第２増幅器231の出力（CB
T219の出力の中の２倍波を増幅した出力）とを比較し、
これらの２入力が一致したときに駆動回路243に指示を
送る。ピーク値ホールド回路233には、ｂ点に対応する
２倍波出力を増幅した値が保持されており、２回目のス
イープにおいてｂ点に達したときに、比較器241の２入
力が一致する。

駆動回路243は、比較器241からの指示を受けてリレー22
1及びリレー257の接続状態を切り替え、単安定マルチバ
イブレータ253とスイープ回路251の接続をオフ状態にす
ると共に、水晶発振器211を積分器223に接続した状態に
する。

このリレー221の切替えによりリレー221の通常動作時の
帰還ループが形成され、以後ｂ付近で制御されることに
なる。

IV.実施例のまとめこのように、１回目のスイープにおいて、CBT219の出力
の中の２倍波を増幅した信号の最大値をピーク値ホール
ド回路233に保持する。次に、２回目のスイープにおい
て、このピーク値ホールド回路233に保持した値と、CBT
219の出力の中の２倍波を増幅したし号とを比較器241に
よって比較し、一致したときに水晶発振器211の出力周
波数を制御するための帰還ループを閉じる。

従って、ｂ点以外のａ点やｃ点で制御することがなくな
るため、水晶発振器211の出力周波数の可変範囲を大き
くとることができ、帰還ループの利得を大きくすると共
に、水晶発振器211の出力周波数の可変範囲を修正する
手間を省くことが可能となる。

V.発明の変形態様なお、上述した本発明の実施例にあっては、スイープ回
路251を積分回路で構成し、単安定マルチバイブレータ2
53の出力に応じて充放電して水晶発振器211に可変電圧
を供給するようにしたが、所定の電圧範囲について変化
可能な回路であれば何でもよい。

また、「I.実施例と第１図との対応関係」において、本
発明と実施例との対応関係を説明しておいたが、これに
限られることはなく、本発明には各種の変形態様がある
ことは当業者であれば容易に推考できるであろう。

〔発明の効果〕

上述したように、本発明によれば、水晶発振器から出力
される信号の周波数を所定の範囲で変化させたときのセ
シウムビーム管の２倍周波数出力の最大値を保持してお
き、セシウムビーム管の２倍周波数出力がこの最大値に
対して所定の関係が成立（例えば一致）したときに帰還
ループを閉じることにより、水晶発振器の出力の可変範
囲を大きくとることができるので、帰還ループの利得を
大きくすると共に、可変範囲を補正する手間を低減する
ことが可能となり、実用的には極めて有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のセシウム原子発振器の原理ブロック
図、第２図は本発明の一実施例によるセシウム原子発振器の
構成図、第３図は実施例のスイープ動作の説明図、第４図は従来例の構成図、第５図はセシウム原子の共鳴パターンの説明図、第６図は水晶発振器の周波数過渡応答の説明図である。図において、 111は水晶発振器、 113は変調手段、 115はセシウムビーム管、 117は発振器制御手段、 121はループ接続手段、 131は最大値保持手段、 141は比較手段、 151はスイープ手段、 211は水晶発振器、 213は変調器、 215は発振器、 217は周波数合成器、 219はCBT、 221,235,257はリレー、 223は積分器、 225は同期検波器、 227は第１増幅器、 231は第２増幅器、 233はピーク値ホールド回路、 237はロック回路、 239は検出回路、 241は比較器、 243,255は駆動回路、 251はスイープ回路、 253は単安定マルチバイブレータ、 261は電圧比較器である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定周波数の出力を得る水晶発振器（11
1）と、セシウムビーム管（115）と、前記水晶発振器
（111）の出力に応じて、所定の変調周波数で変調した
信号を前記セシウムビーム管（115）に供給する変調手
段（113）と、前記セシウムビーム管（115）の出力に応
じて前記水晶発振器（111）の出力周波数を制御する発
振器制御手段（117）とを有するセシウム原子発振器に
おいて、前記水晶発振器（111）に指示を送り、前記水晶発振器
（111）の出力周波数を所定の範囲で変化させるスイー
プ手段（151）と、前記セシウムビーム管（115）から出力される前記変調
周波数の２倍の周波数出力の中から最大値を保持する最
大値保持手段（131）と、前記最大値保持手段（131）に保持された最大値と、前
記セシウムビーム管（115）から出力される２倍の周波
数出力とを比較する比較手段（141）と、前記水晶発振器（111）を制御するための帰還ループを
閉じるループ接続手段（121）と、を備え、前記スイープ手段（151）によって前記水晶発
振器（111）の出力周波数を所定の範囲で変化させたと
きに、前記最大値保持手段（131）に保持されている最
大値と前記セシウムビーム管（115）の出力とを前記比
較手段（141）によって比較し、所定の関係が成立した
ときに前記ループ接続手段（121）に指示を送って帰還
ループを閉じるように構成したことを特徴とするセシウ
ム原子発振器。