JPS63173419A - 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］ 本発明は、原子若しくは分子の持つ共鳴周波数を基準と
して水晶発振器の周波数を自動制御する原子発振器にお
いて、外温変化による空洞共振器の温度制御用ヒータ電
圧変化を基に補償電圧を発生し、これをＣフィールドコ
イル電流発生用設定電圧に重畳するようにしたもので、
これにより周波数温度特性を大幅に改善した。

［産業上の利用分野］ 本発明は原子発振器に係わり、特に原子発振器の周波数
温度特性の改善に関する。

原子や分子の持つ共鳴周波数を基準として水晶発振器の
周波数を自動制御する原子発振器は、長期安定度が優れ
ているため、高精度周波数発生源として利用されている
。

原子発振器の中でもルビジウム原子発振器は、特に小型
、低価格であり、且つ取り扱い易い原子発振器である。

ルビジウム原子発振器の周波数安定度に最も大きな影響
を与えるのは温度であり、本発明はこの周波数温度特性
の改善に関するものである。

［従来の技術］ 第５図は、従来のルビジウム原子発振器の回路構成ブロ
ック図である。

ルビジウム原子発振器の原子共鳴器１０では、ルビジウ
ム（Ｒｂ）ランプ１０１の光を共鳴セル１０２に照射し
て、光ボンピングにより共鳴セル１０２内のルビジウム
原子を励起する一方、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）
２０から合成した６、８ＧＨ２を空洞共振器１０？内の
共鳴セル１０２に印加し、光とマイクロ波の二重共鳴を
誘起する。

この入力マイクロ波の周波数と、共鳴セル１０２内のル
ビジウム原子の原子共鳴周波数との一致具合によって出
力される信号を基に電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）２
０の周波数を制御するものである。

即ち、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）２０の発振周波
数（通常５ＭＨｚまたは１０ＭＨｚであるが、ここでは
５ＭＨｚとする）は逓倍器３１により１８倍に逓倍され
９０ＭＨｚとなる。

一方、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）２０の発振周波
数から周波数合成器３２によって５．３１　ＭＨｚが合
成され、これによって９０ＭＨｚを変調する。

変調された９０ＭＨｚから逓倍器３３によって７６倍の
高調波（６，８ＧＨｚ）が作られ、原子共鳴器１０内に
印加される。このマイクロ波は、予め低周波発振器３４
からの低周波で位相変調されている。

共鳴セル１０２を通った光は太陽電池１０６で検出され
るが、空洞共振器１０４への入力マイクロ波周波数が原
子共鳴周波数と一致したとき、共鳴セル１０２における
光の吸収が最も強くなるため、太陽電池出力電圧は最も
弱くなる。

従って、太陽電池出力の交流骨としては入力マイクロ波
周波数が共鳴周波数より高いか低いかによって、位相の
反転した低周波信号（位相変調する低周波信号と同一周
波数）が得られる。

この信号は増幅されて低周波発振器３４の周波数で同期
整流４３され、積分４４された出力は、電圧制御水晶発
振器（ＶＣＸＯ）２０の周波数制御信号となる。

また、ルビジウム原子発振器においては、ランプ１０１
および共鳴セル１０２の温度を所定の温度に一定に保つ
必要から、両者を収容するランプハウス１０３および空
洞共振器１０４に、それぞれ温度制御回路１１ならびに
１２を備えている。

一方、ルビジウム原子発振器においては、原子共鳴周波
数が静磁場により僅かに変化することを利用して、Ｃフ
ィールドコイル１０５と呼ばれるコイルに電流を流すこ
とによって、共鳴セル１０２に静磁場を印加し、この磁
場により周波数の微調整を行うため、Ｃフィールド電流
制御回路５０を備えている。

ルビジウム原子発振器の周波数安定度には、経時変化、
短期安定度、および温度、電源、磁場等環境変化による
ものなどがあり、この中で温度特性が最も大きく、Δｆ
／ｆ　＃　１〜２　ｘ　１０−１０／２５±２５６Ｃ程
度である。

この周波数温度特性は、主に心臓部である原子共鳴器１
０内の共鳴セル１０２の温度特性、或いは温度変化によ
るランプ１０１の輝度変化に起因している。

［発明が解決しようとする問題点コ 上記に説明のように、従来のルビジウム原子発振器にお
いては、空洞共振器およびランプハウスの温度を所定温
度に保つよう温度制御を行っているが、僅かな温度変化
は避けられずず、これによる周波数変動が存在する。

本発明は、このような従来の周波数温度特性を改善した
新規な原子発振器を提供しようとするものである。

［問題点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ブロック図を示す。

図において、１は原子共鳴器であり、２は電圧制御水晶
発振器（ＶＣＸＯ）、５はＣフィールド電流制御手段で
ある。

６は温度検出手段であって、空洞共振器の温度制御用の
ヒータの電圧を空洞共振器の温度として検出する。

７は補償電圧発生手段であり、温度検出手段１で検出し
た電圧から原子発振器の周波数を補償する電圧を発生す
る。

８は加算手段であり、予め設定されたＣフィールドコイ
ル電流発生用基準電圧に、補償電圧発生手段ｑの発生し
た補償電圧を加算して、Ｃフィールド電流制御手段５に
加える。

［作用］ 空洞共振器の温度制御回路（第５図１２参照）は、空洞
共振器に取り付けられた温度センサで検出した温度変化
に対応して加熱ヒータの電流を制御して温度を一定に保
つ。従ってヒータ電圧の値は空洞共振器の温度変化に対
応する値である。

このヒータ電圧は温度検出手段６により検出される。温
度検出手段６により検出された電圧は、補償電圧発生手
段７に加えられ、温度変化による周波数変化を補償する
電圧に変換される。

Ｃフィールド電流制御手段５は、従来の技術の項で説明
したように、Ｃフィールド電流を加減し、静磁場を加減
することにより、標準温度における周波数の微調整を行
っている。

加算手段８は、この微調整により設定した基準電圧と、
補償電圧発生手段７の発生した補償電圧とを加算する。

加算された電圧はＣフィールド電流制御手段５に加えら
れる。この重畳されて加えられた補償電圧によりＣフィ
ールド電流が変化し、周波数の変化が生ずる。

この周波数変化を、温度変化による周波数変化を相殺す
るよう補償電圧を発生することにより、周波数温度特性
を大幅に向上することができる。

補償電圧は、空洞共鳴器の温度が標準温度のときゼロで
、これより高い温度のときく＋）、低い温度のとき（−
）の電圧である。

このように本来使用している回路を利用することにより
、新しく付加する構成要素は非常に少なくて済む。

このように、空洞共振器の温度制御回路のヒータ電圧か
ら温度情報を得る方式を採ることにより、次の利点があ
る。

即ち、ルビジウム原子発振器の外温変化による周波数変
化は数十分乃至数時間にわたる。従って温度補償を行う
場合、補償電圧の応答も遅（する必要がある。もし、そ
うしないと、両者の応答の差により周波数変化のオーバ
ーシュートが発生し、有効な補償ができない。

この点、空洞共振器の温度制御回路を用いると、空洞共
振器の熱容量が構成部品の中で最も大きいため、ゆっく
りした応答の補償電圧を得ることができ、精度のよい補
償が可能となる。

また、本来使用している温度制御回路およびＣフィール
ド電流制御回路を利用することにより、新しく付加する
構成要素は非常に少なくて済む。

［実施例］ 以下第２図〜第４図に示す実施例により、本発明をさら
に具体的に説明する。

第２図は、本発明の一実施例の回路構成ブロック図であ
る。

図において、１１はランプハウス用温度制御回路であり
、１２は空洞共振器用温度制御回路である。

７０は補償電圧発生器であり、温度制御回路１２から取
り出したヒータ電圧を入力とし、温度補償のためＣフィ
ールド電流制御回路に加える補償電圧を発生する。

８０は加算器であり、周波数の微調整用の基準電圧と補
償電圧発生器７０の出力を加算し、Ｃフィールド電流制
御回路５０に加える。

その他の構成要素は第５図と同一である。

第３図は、本発明の一実施例における空洞共振器用温度
制御回路を示す。

空洞共振器に熱的に結合されたセンサはサーミスタ１２
ａであり、その温度変化による抵抗変化により、分圧電
圧が変化し、これと基準電圧との差電圧が比較器１２ｂ
で誤差電圧として検出され、これが増幅器１２ｃにより
増幅されてトランジスタ１２ｄのベースに加えられる。

トランジスタ１２ｄのコレクタには、空洞共振器に熱的
に結合されたヒータ１２ｅが接続されており、誤差電圧
が大きい程ヒータ電流が大きくなる。

ヒータ電流によって空洞共振器が加熱され、加熱される
につれてサーミスタ１２ａによりその温度が検出される
。このような閉ループにより、ヒータ電流が制御されて
空洞共振器の温度を一定に保つ。

第４図（ａ）は、この温度制御回路のヒータ電力と外温
との関係を示す。

このとき、ヒータに印加される電圧Ｖは、同図（ｂｌの
如くなる。

このヒータ電圧■は、第２図に示すように、補償電圧発
生器７０へ入力される。

補償電圧発生器７０では、このヒータ電圧変化を検出し
、第４図（Ｃ）に示すような補償電圧を発生する。この
補償電圧は加算器８０に加えられ、Ｃフィールド電流の
補償を行う。

本実施例によれば、±３０°Ｃの外温変化に対して、補
償電圧が約±０．２■となり、補償後の周波数温度特性
〈±５Ｘ１０−”が実現できた。

［発明の効果］ 以上説明のように本発明によれば、簡単な構成により、
原子発振器の周波数温度特性を大幅に改善することがで
き、その実用上の効果は極めて大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理ブロック図、 第２図は本発明の一実施例の回路構成ブロック図、 第３図は本発明の一実施例における温度制御回路の回路
図、 第４図はヒータ電力、ヒータ電圧、補償電圧と外温の関
係を示す図、 第５図は従来のルビジウム原子発振器の回路構成ブロッ
ク図である。 図面において、 １．１０は原子共鳴器、 ２．２０は電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）、５．５０
はＣフィールド電流制御回路（手段）、６は温度検出手
段、 ７．７０は補償電圧発生器（手段）、 ８．８０は加算器（手段）、 １１、１２は温度制御回路、　３１．３３は逓倍器、３
２は周波数合成器、　　　３４は低周波発振器、４１、
４２は増幅器、　　　　４３は同期整流回路、４４は積
分器、　　　　　　１０１はＲｈランプ、１０２は共鳴
セル、　　　　　１０３はランプハウス、１０４は空洞
共振器、 １０５はＣフィールドコイル、 をそれぞれ示す。 本発明の原理ブロック図 第１図 本発明の一実施例の回路構成ブロック図外温 外温 ヒータ電力、ヒータ電圧、補償電圧と外温の関係を示す
図第　　　４　　　図 カ 従来のルビジウム発ＷＲ器の回路構成ブロック図第　　
５　　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 原子若しくは分子の持つ共鳴周波数を基準として水晶発
   振器（２）の周波数を自動制御する原子発振器において
   、 外温変化による空洞共振器の温度制御用ヒータの電圧変
   化を検出する温度検出手段（６）と、温度検出手段（６
   ）の検出出力より温度補償用電圧を発生する補償電圧発
   生手段（７）と、 補償電圧発生手段（７）の発生電圧とＣフィールド電流
   制御手段（５）用基準電圧を加算する加算手段（８）と
   を備え、 加算手段（８）の加算出力を周波数微調整のためのＣフ
   ィールド電流制御手段（５）に印加するよう構成したこ
   とを特徴とする原子発振器。