JPS6016134B2 - 原子周波数標準装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は受動型原子周波数標準器の、主として回路構成
に関するものである。

周波数変動のきわめて少ない、高安定周波数は情報通信
や航法システム、高精度周波数測定など広い分野で必要
とされる。

従来この目的のためには水晶振動子が用いられてきたが
、さらに高い精度に対する面求に対して、原子レベル間
の遷移を用いた原子周波数標準器（以下原子標準と略記
）が開発された。この方式によれば、特に長期安定度に
おいて飛躍的な改善が得られるので、特に高い精度を必
要とする分野で使われつつある。原子標準は大別して能
動型と受動型に分類できる。能動型の場合、原子の遷移
周波数の電磁波を直接検出して分周するもので、構成は
単純ではあるが個々の構成部品に問題が多く、現在のと
ころあまり使われていない。これに対して受動型は、原
子の遷移周波数の電磁波（マイクロ波）を照射して遷移
をおこし、この遷移が最大となるように電磁波の周波数
を帰還するもので、回路は多少複雑にはなるが、検出感
度が高いため作りやすく、現在主流となっている。

本発明はこの受動型原子標準に関するものであり、以下
Ｒｂガスセル型を例にとって説明する。

第１図は従釆のＲｂガスセル型原子標準のブロック図で
ある。１はＲｂ金属のガスを封入したランプ、２と３は
このガスを励起、発光させるための電磁波を与えるため
のコイルと発振器である。

ランプーから出た光はセル４に封じ込められたＲｂ原子
を基底レベルから高いレベルへ励起するものであり、ポ
ンピング光と呼ばれる。５は空胴共振器であり、アンテ
ナ６から注入された約６．８３４６舷ＨＺの電磁波が定
在している。

この電磁波数がＲｂ原子の遷移レベル間隔に正確に一致
したとき、原子は誘導放出をおこし、、その結果基底レ
ベルの原子数が増えるのでポンピング光の吸収量が増え
る。８はポンピング光の吸収量を知るための太陽電池で
ある。

吸収の最大点を感度よく検出するために、マイクロ波に
はわずかに低周波の周波数変調をかけ、位相弁別によっ
て中心からの周波数差に応じた正負の誤差信号を得てい
る。

１０はこのための低周波発振器、１ １は位相弁別器で
ある。

１５は水晶振動子、１６は電圧制御型可変容量ダイオー
ド（以下バリキャップと略）であり、位相弁別器１１の
出力電圧が印加される。

１４は水晶振動子を発振させる発振回路、１７は出力端
子である。

１８は周波数シンセサィザであり、水晶振動子の発振周
波数を６．８３４６８・・・・・・ＧＨＺにまで逓情、
合成する。

その出力はアンテナ６によって空胴共振器５の中に照射
される。シンセサィザ１８の逓倍数は一定であるので、
マイクロ波周波数は水晶振動子１５の発振周波数すなわ
ちバリキャツプ１６への印加電圧で制御できる。したが
って、位相を正しくとるなら、水晶振動子１６は常にＲ
ｂ原子の譲導遷移が最大となるような周波数で発振する
ようにロックされ、端子１７には非常に安定した周波数
が得られる。別の言い方をすれば、閉ループ内に組み込
まれた水晶振動子の温度や経時変化による誤差をつねに
一定値で発振するように補正しているわけである。ラン
プ１、セル４、水晶振動子１５はそれぞれ温度制御回路
２１，２２，２３によって最も動作が安定される温度に
保持される。

１９は主電源回路であり、各部に電流を供給する。

このような原子標準において、ランプ、セルは通例７０
ｑｏ以上に保たれるので、定常時でもｌＯＷ以上の電力
を消費する。

したがって長時間バッテリー動作させることは不可能で
あり、交流商用電源を用いる。このため停電時には動作
が完全に停止し、停電時だけバッテリーで動作させるた
めにも大型のバッテリーが必要となり、維持、管理が大
変である。本発明は、停電時には水晶振動子だけを動作
させ、水晶振動子の安定度をもった信号を出力すること
により、従来の原子標準の欠点を解消するものに関する
。

（ここでいう停電とは、単に商用電線の故障に加え、本
装置の主電源の故障によるものを含んでいる。）第２図
はこの欠点を解消するよう作られた従来の例のブロック
図である。

第１図の例との相異点は、発振回路１４、水晶振動子の
温度制御回路２３は内部にバッテリーを持った補助電源
回路３１によって駆動され、主電源回路１９はそれ以外
の部品を駆動することである。電源回路３１は内部にバ
ッテリーをもっており、通常は商用交流電源によって動
作しながら充電をおこない、停電時には瞬時にバッテリ
ーに切り換えて電源供給をするようになっている。この
場合には、動作部品が少し・ので消費電流が少く、原子
標準全体を動作させる場合に比べバッテリーは小型なも
ので十分である。しかしバリキャップ１６に印加される
電圧は０になるので、水晶振動子１５の発振周波数は、
定常運転時の値と比べ最大１×１０‐６も異なる可能性
をもっている。

本発明はこの決点を除き、停電時にも、停電直前の発振
周波数を維持できるようにしたものに関する。第３図は
この欠点を解消した従釆例のブロック図である。

本例と第２図の例のちがし、は、位相弁別器１１の出力
は電圧記憶回路３２を介してバリキャップ１６に印加さ
れることである。この電圧記憶回路は、停電直前にも、
停電直前にバリキャップ１６に印加されていた電圧を印
加し続けるためのものであり、第４図にその詳細を説明
する。位相弁別器から出た電圧信号は入力端子４０を経
て６ビットのＡ／Ｄ変換器４１によりディジタル信号に
変換される。４２はディジタル、メモリーであり、半導
体素子が用いられる。

４３はＤ／Ａ変換器であり、メモリー４２の内容を再び
もとの電圧にもどす機能をはたしている。

４４は変換器４１，４３およびメモリ４２を制御するた
めのクロック発生器である。

このクロック信号は、停電検出回路４５により、通常運
転時には絶えずメモリ内容を更新していくように送られ
、一方停電時には更新をやめ、停鰭直前に記憶された電
圧値をくり返し出力するようにコントロールされる。出
力端子４５はバリキャップ１３へとつながれ、水晶振動
子１５は停電直前の周波数で発振するようになつている
。前述のように、原子標準は、水晶振動子の発振周波数
の誤差を絶えず補正していると考えることができるから
、第３図の実施例において生ずる誤差は、停電が始つて
からの水晶振動子の周波数変化と、記憶回路３２の中で
生ずる「量子化誤差」である。

前者については、温度を一定に保つなら、１日で１×１
０‐１１程度には収まる。後者については、例のように
６ビットの変換によるなら１×１０‐溝星度になるが、
これはビット数を増やすことによりさらに減少こせるこ
とは容易である。すなわち、停電がそんなに長くないか
ぎり、かなり高い精度を維持することができるわけであ
る。ところで、通常ランプ１やセル４の最適動作温度は
７０午０〜１００午０と高温である。また水晶振動子１
２も一定温度保つ必要があるが、普通これはランプやセ
ルと同じさよう体内に組み込まれるから、ランプ、セル
から伝わる熱のためその周囲温度はかなり高温になって
いる。したがって、良好な温度制御を行なうためにはそ
の周囲温度より若干高い温度、通常７０℃〜８０００に
保つように設計されている。周知のように、現在高安定
水晶発振器に用いられる水晶振動子はＡＴ−カットと呼
ばれるものであり、その温度特性は３次曲線である。温
度制御に多少の誤差が生じた時の発振周波数への影響を
最小にするため、振動子は頂点温度付近において動作さ
せるのが通例である。ところで先に述べたように、停電
時にはランプセルの温度制御は停止するから、それらは
室温にまで冷え、水晶振動子１５の周囲温度も低下する
。

しかし水晶振動子１５は停電時にも温度制御されつづけ
るため、周囲温度の低下にともなって、もっと低い温度
で制御することも可能であるにもかかわらず、依然とし
て７０ｑｏ−８０ｑｏの高い温度に保たれる。

したがって、水晶振動子の加熱には非停電時よりかえっ
て多くの電流が消費されることになり、補助電源３１の
出力電流の大部分を占める。これはバッテリの小型化の
うえでの最大の障害となっていた。

本発明は、停電時には、水晶振動子はより低い温度に保
たれるようにして、この電力消費を減らそうというもの
である。

第５図は本発明に関するＲｂ原子標準のブロック図であ
り、水晶振動子１５の温度制御回路３３の詳細を第６図
に示す。

第６図は演算増幅器を用いたごく一般的な方式の温度制
御回路の実施例である。

温度検出用サーミスタ４１と加熱用トランジスタ４３は
水晶振動１５と熱的に接触している。演算増幅器４２の
一つの入力端子にはサーミスタの抵抗値で決る電圧が、
他方の入力端子には制御温度を設定するための抵抗４４
，４５および微調用抵抗４６がつながれている。４８は
リレーで、非停電時には端子４９を通じて電流が流れる
ため、ＯＮとなっている。

したがって抵抗４５と抵抗４７が並列接続されるので、
設定温度は高くなる。しかし停電時には端子４９には電
流が釆ず、リレーはＯＦＦとなり、抵抗４７は回路から
断たれるから、設定温度は低くなる。つまり、端子４９
を主電流１９につなぐと非停電時と停電時で異つた温度
に水晶振動子を保つことができるわけである。停電時の
制御温度は、抵抗４５，４７の抵抗値の調整によって所
望の値に設定できる。したがって停電時に加熱用トラン
ジスタ４３に流す電流は少くてすみ、停電用のバッテリ
ーは４・型化できる。さて、停電時の水晶振動子１５の
動作温度は、その時の周囲温度より５℃〜１０ｑｏ高く
すればよいが、この時も高い安定度を維持するためには
、多少温度が変化しても水晶振動子の発振周波数が影響
されない温度にするのがよい。第７図にＡＴカット水晶
振動子の温度特性の一例を掲げる。この曲線は３次であ
り、８０午０と４０ｑｏに変曲点をもつ。したがって、
非停電時には８０℃、停電時は４０ｑｏで動作されるよ
う制御すれば、いずれの場合においても高い周波数安定
度が得られるので、優れている。現実の振動子では温度
特性は多少異なるが、それは第６図における抵抗の値を
変えて調整することができる。本実施例においては、温
度制御回路を構成する加熱手段として、トランジスタ４
３に接続される抵抗が用いられ、電源の停電検出手段と
してリレー４８が用いられ、更に温度制御手段として演
算増幅器４２とサーミスタ４１、抵抗４４，４５，４６
が用いられている。ところで、制御温度を複数の異つた
値にすることのできる温度制御回路は第６図の他にいく
つも考えられる。

たとえば、サーミスタの代りに熱電対を用いてもよいし
、またサーミスタと直列あるいは並列につないだ抵抗の
値を変えても設定温度を変えることができる。ところで
第７図より明かなように、水晶振動子の発振周波数は高
温変曲点（８０午Ｃ）と低温変曲点（４０℃）では△ｆ
だけ異なる。

したがって、バリキャップ１６の制御電圧を一定にして
おくなら発振周波数には１×１０‐６以上の大きな誤差
を生ずる。第８図はこれを防止する回路の例であり、電
圧記憶回路３２の出力は抵抗によって分割してバリキャ
ツプに印加するようにし、その分割比を非袴篭時と停電
時で変えて、周波数をオフセットすることにより、補正
するようにしている。

すなわち停電時にはリレー５１が○ＦＦし、出力端子４
６の電圧は少し下るから、バリキャップ１６の容量は増
え、したがって、発振周波数は△ｆだけ減少して結局元
と同じ周波数になるわけである。

第８図の例は非常に単純化されたものであるが、現実に
精度よくこれを行うためには改善した方がよいかもしれ
ない。

たとえばバリキャツプ１６の容量−電圧特性の非直線性
を考え、マイクロ・プロセサを用いて、その時の位相検
出回路の出力電圧に応じた量だけ出力電圧を下げるよう
にすることができる。この場合には電圧分割を抵抗で行
うのではなく、Ｄ／Ａコンバータの入力端でディジタル
的に減算を行うのがよいであろう。本発明の目的は、停
電時にも非停電時と同じ周波数で発振させることである
から、その具体的方法としてはバリキャップへの印放電
圧を変えるほかにも、水晶振動子１５の負荷コンデンサ
をスイッチによって切り換える方法も同様に可能である
。また水晶振動子はＡＴーカットのもので説明したが、
この他のモードの振動子でも、複数の変曲点をもつもの
なら適用できるし、低温変曲点の周波数が高温変曲点の
それより低くてもかまわない。

以上、本発明によれば、比較的小型のバッテリーを使用
するだけで停電時にも水晶振動子の安定度の、正確な信
号が得られるので、原子標準の総特、管理や使いやすさ
は大きく向上する。

以上の説明においては、Ｒｂガスセル型を例にとって説
明したが、何らこれに限定されるものではなく、ＣＳビ
ーム型でも同じく応用できる。

この場合には、光マイクロ波共鳴部の構成が異り、ＣＳ
イオン源から出たＣＳビームは空胸共振器を通過してイ
オン検出器に到達するようになる。したがって第５図に
おいて太陽電池の代りにイオン検出器を考えれば、本発
明の動作原理は何ら変りなく適用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のＲｂ原子周波数標準装置のブロック図で
ある。 第２図は従来のＲｂ原子周波数標準装置のブロック図で
ある。第３図は従来の改良されたＲｂ原子周波数標準装
置のブロック図である。第４図は電圧記憶回路の一具体
例である。第５図は本発明に関するＲｂ原子標準の一実
施例のフロック図である。第６図は温度制御回路３３の
具体的な実施例の回路図である。第７図はＡＴカット水
晶振動子の周波数−温度特性の一例である。第８図は本
発明に関するＲｂ原子標準の電圧記憶回路の一実施例で
ある。１・・・ランプ、４・・・セル、５・・・空月同
共振器、８・・・太陽電池、１５・・・水晶振動子、１
６・・・可変容量ダイオード、１９・・・主電源回路、
３１・・・補助電源回路、３２・・・電圧記憶回路、３
３…温度制御回路、４１・・・Ａ／○変換器、４２・・
・ディジタルメモリー、４３・・・０／Ａ変換器。 第１図 第２図 第３図 第４図 第５図 第６図 第フ図 第８図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １発振周波数を電圧で制御する水晶振動子を閉ループ内
   にそなえた原子周波数標準装置において、前記水晶振動
   子は温度制御回路を有しており、前記温度制御回路は前
   記水晶振動子の周囲を加熱する加熱手段と、前記原子周
   波数標準装置を駆動する電源の停電検出手段と、前記停
   電検出手段の出力に応じて前記加熱手段に印加される電
   流量を制御させ停電時の加熱温度を低下させる温度制御
   手段とから構成されることを特徴とする原子周波数標準
   装置。