WO2022018951A1 - 原子セル及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

アルカリ金属を配置し易くすることができ、生産性を高めることができる、原子セル及びその製造方法を提供することにある。　対向し合う第１の主面５及び第２の主面６を有し、第１の主面５及び第２の主面６間を貫通している第１の貫通孔１３及び第２の貫通孔１４が設けられており、第１の貫通孔１３を囲んでいる第１の内壁面１６と、第２の貫通孔１４を囲んでいる第２の内壁面１７とを有するセル本体２と、セル本体２の第１の主面５上に設けられており、第１の貫通孔１３及び第２の貫通孔１４の一方側を塞いでいる第１の蓋部材３と、セル本体２の第２の主面６上に設けられており、第１の貫通孔１３及び第２の貫通孔１４の他方側を塞いでいる第２の蓋部材４とを備え、第２の貫通孔１４が、第１の主面５側の端部から内部に向かって縮径する縮径部を有することを特徴とする。

Description

原子セル及びその製造方法

　本発明は、原子セル及びその製造方法に関する。

　原子時計は、セシウム（Ｃｓ）やルビジウム（Ｒｂ）等のアルカリ金属原子におけるエネルギー遷移に基づいて発振する原子発振器を備えており、この原子発振器は、長期的に高精度な発振特性が得られる発振器として知られている。原子発振器の動作原理は、いくつかの方式に区別されるが、量子干渉効果（ＣＰＴ：Ｃｏｈｅｒｅｎｔ　Ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ　Ｔｒａｐｐｉｎｇ）を利用した原子発振器は、水晶発振器と比較して３桁程度高い周波数安定性を有することが知られている。

　このような原子発振器では、原子セル内にガス状のアルカリ金属が封入されて用いられる。また、原子発振器として必要な性能を確保するため、原子セル内には、さらに窒素（Ｎ_２）やネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）などのバッファガスが封入されて用いられている。

　下記の特許文献１には、原子セルの一例が開示されている。この原子セルは、２箇所の貫通孔を有する胴体部と、２箇所の貫通孔の開口を塞ぐ１対の窓部とを有する。一方の貫通孔及び１対の窓部により囲まれた部分は気体収納部であり、ガス状のアルカリ金属が封入されている。他方の貫通孔及び１対の窓部により囲まれた部分は金属溜まり部であり、液体状又は固体状のアルカリ金属が封入されている。なお、胴体部には、２箇所の貫通孔を連通させる溝部が設けられている。

特開２０１７－２０８５５９号公報

　しかしながら、特許文献１に記載の原子セルにおいては、アルカリ金属を原子セル内に配置する際に、わずかな位置ずれにより、液体状又は固体状のアルカリ金属が、連通部や気体収納部に配置されるおそれがある。上記のような配置の位置ずれが生じた場合には、励起光により励起されるガス状のアルカリ金属の状態が不均一となり、発振特性が低下する場合がある。そのため、アルカリ金属の配置に高い精度が要求され、また、上記のような配置の位置ずれに起因する不良が生じることにより、生産性が低くなりがちであった。

　本発明の目的は、アルカリ金属を配置し易くすることができ、生産性を高めることができる、原子セル及びその製造方法を提供することにある。

　本発明に係る原子セルは、対向し合う第１の主面及び第２の主面を有し、第１の主面及び第２の主面間を貫通している第１の貫通孔及び第２の貫通孔が設けられており、第１の貫通孔を囲んでいる第１の内壁面と、第２の貫通孔を囲んでいる第２の内壁面とを有するセル本体と、セル本体の第１の主面上に設けられており、第１の貫通孔及び第２の貫通孔の一方側を塞いでいる第１の蓋部材と、セル本体の第２の主面上に設けられており、第１の貫通孔及び第２の貫通孔の他方側を塞いでいる第２の蓋部材とを備え、第２の貫通孔が、第１の主面側の端部から内部に向かって縮径する縮径部を有することを特徴としている。

　第２の内壁面、第１の蓋部材及び第２の蓋部材により囲まれている部分が、アルカリ金属が封入されたアンプルが配置される、アンプル配置部であることが好ましい。

　第１の貫通孔が、第１の主面側の端部から内部に向かって縮径する縮径部を有することが好ましい。

　セル本体が、第１の貫通孔及び第２の貫通孔の間に位置している隔壁部を有し、セル本体に、第１の貫通孔及び第２の貫通孔を連通させる連通部が設けられており、連通部が、隔壁部の第１の主面側の端部と、第１の蓋部材との間に位置しており、且つ、第１の貫通孔及び第２の貫通孔の縮径部に位置していることが好ましい。

　第１の貫通孔が、第２の主面側の端部から内部に向かって縮径する縮径部を有し、第２の貫通孔が、第２の主面側の端部から内部に向かって縮径する縮径部を有することが好ましい。

　連通部が第１の連通部であり、セル本体に、第１の貫通孔及び第２の貫通孔を連通させる第２の連通部が設けられており、第２の連通部が、隔壁部の第２の主面側の端部と、第２の蓋部材との間に位置しており、且つ、前第１の貫通孔及び前記第２の貫通孔の縮径部に位置していることが好ましい。

　セル本体がガラスにより構成されていることが好ましい。

　本発明に係る原子セルの製造方法は、上記原子セルを製造する方法であって、第１の主面、第２の主面、第１の貫通孔及び第２の貫通孔を有する、セル本体の中間体を形成する工程と、エッチングにより、第２の貫通孔の、第１の主面側の端部に、内部に向かって縮径する縮径部を形成することにより、セル本体を得る工程と、セル本体の第１の主面上に第１の蓋部材を接合する工程と、セル本体の第２の主面上に第２の蓋部材を接合する工程とを備えることを特徴としている。

　リドロー成形により、プリフォームから中間体を形成することが好ましい。

　プリフォームに第１の孔部及び第２の孔部を形成した後に、リドロー成形により中間体を形成する工程を行うことが好ましい。

　本発明によれば、アルカリ金属を配置し易くすることができ、生産性を高めることができる、原子セル及びその製造方法を提供することができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る原子セルを示す正面断面図である。 図２は、本発明の第１の実施形態に係る原子セルの、第１の蓋部材を省略した斜視図である。 図３（ａ）～（ｃ）は、第１の実施形態並びにその第１及び第２の変形例に係る原子セルの第１の蓋部材側を拡大した正面断面図である。 図４は、本発明の第１の実施形態におけるセル本体の平面図である。 図５は、セル本体の第２の貫通孔内にアンプルを配置した状態を示す正面断面図である。 図６は、原子セルの第１の貫通孔内にアルカリ金属を封入する方法の例を説明するための正面断面図である。 図７は、本発明の原子セルの製造方法における、プリフォームを用意する工程の一例を説明するための斜視図である。 図８は、本発明の原子セルの製造方法における、中間体を得る工程の一例を説明するための斜視図である。 図９は、本発明の原子セルの製造方法における、セル本体を得る工程の一例を説明するための正面断面図である。 図１０は、本発明の第２の実施形態に係る原子セルを示す正面断面図である。

　以下、好ましい実施形態について説明する。但し、以下の実施形態は単なる例示であり、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また、図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照する場合がある。

　（原子セル）
　（第１の実施形態）
　図１は、本発明の第１の実施形態に係る原子セルを示す正面断面図である。図２は、第１の実施形態に係る原子セルの、第１の蓋部材を省略した斜視図である。図３（ａ）～図３（ｃ）は第１の実施形態並びにその第１及び第２の変形例に係る原子セルの第１の蓋部材側を拡大した正面断面図である。なお、図１は、図２中のＩ－Ｉ線に沿う断面図である。

　図１に示すように、原子セル１は、セル本体２と、第１の蓋部材３と第２の蓋部材４とを備える。図２に示すように、セル本体２は、第１の主面５及び第２の主面６を有する。第１の主面５及び第２の主面６は対向し合っている。

　セル本体２には、第１の貫通孔１３と、第２の貫通孔１４と、連通部１５とが設けられている。第１の貫通孔１３及び第２の貫通孔１４は、第１の主面５及び第２の主面６間を貫通している。本実施形態では、第１の貫通孔１３及び第２の貫通孔１４が延びる方向は平行である。連通部１５は、第１の貫通孔１３及び第２の貫通孔１４を連通させている部分である。ここで、セル本体２は隔壁部７を有する。隔壁部７は、セル本体２における、第１の貫通孔１３及び第２の貫通孔１４の間に位置している部分である。図１に示すように、連通部１５は、隔壁部７の第１の主面５側の端部上に位置している。具体的には、連通部１５は、隔壁部７の第１の主面５側の端部と、第１の蓋部材３との間に位置している。もっとも、連通部１５の配置は上記に限定されない。

　セル本体２は、第１の内壁面１６と、第２の内壁面１７とを有する。第１の内壁面１６は、第１の貫通孔１３を囲んでいる。第２の内壁面１７は、第２の貫通孔１４を囲んでいる。第１の内壁面１６及び第２の内壁面１７は、連通部１５において開口している。なお、上記隔壁部７の壁面の一部は、第１の内壁面１６に含まれる。隔壁部７の壁面の他の一部は、第２の内壁面１７に含まれる。さらに、セル本体２は外壁面１８を有する。外壁面１８は、第１の主面５及び第２の主面６に接続されている。

　第１の貫通孔１３は、第１の主面５側の端部から第１の貫通孔１３の内部に向かって縮径する縮径部を有している。第１の貫通孔１３の縮径部は、第１の内壁面１６の、第１の主面５側の端部に位置している傾斜面１６ａとして構成されている。傾斜面１６ａは、第１の貫通孔１３が延びる方向に対して傾斜している。また、第２の貫通孔１４は、第１の主面５側の端部から第２の貫通孔１４の内部に向かって縮径する縮径部を有している。第２の貫通孔１４の縮径部は、第２の内壁面１７の、第１の主面５側の端部に位置している傾斜面１７ａとして構成されている。傾斜面１７ａは、第２の貫通孔１４が延びる方向に対して傾斜している。

　本実施形態では、第１の内壁面１６における傾斜面１６ａ及び第２の内壁面１７における傾斜面１７ａは、図３（ａ）に示すように、貫通孔の第１の主面５側端部から直線に延びる貫通孔の内壁面までが、第１の主面５側に凸状となるように傾斜している。もっとも、図３（ｂ）に示す本実施形態の第１の変形例のように、第１の主面５側に凹状となっていてもよいし、図３（ｃ）に示す第２の変形例のように、直線状となっていてもよい。よって、第１の内壁面１６及び第２の内壁面１７の、連通部１５に接続されている部分は、第１の貫通孔１３及び第２の貫通孔１４の縮径部を構成する傾斜面１６ａ及び傾斜面１７ａに位置している。さらに、外壁面１８の第１の主面５側の端部も傾斜面である。なお、図３（ｃ）に示す場合には、外壁面１８の第１の主面５側の端部は傾斜面とはなっておらず、第１の貫通孔１３又は第２の貫通孔１４が延びる方向と平行に延びている。なお、少なくとも、第２の内壁面１７の第１の主面５側の端部が傾斜面１７ａであればよい。

　ここで、外壁面１８と、第１の内壁面１６との間の最も短い距離を第１の厚みＷ１とする。外壁面１８と、第２の内壁面１７との間の最も短い距離を第２の厚みＷ２とする。第１の内壁面１６と、第２の内壁面１７との間の最も短い距離を第３の厚みＷ３とする。第３の厚みＷ３は、隔壁部７の最も薄い部分の厚みである。本実施形態では、Ｗ３≦Ｗ１であり、かつＷ３≦Ｗ２である。もっとも、第１の厚みＷ１、第２の厚みＷ２及び第３の厚みＷ３の関係は上記に限定されない。

　図４は、第１の実施形態におけるセル本体の平面図である。平面視において、第１の貫通孔１３は、矩形の形状を有し、第２の貫通孔１４は円形の形状を有する。なお、第１の貫通孔１３及び第２の貫通孔１４の平面視における形状は上記に限定されない。第１の貫通孔１３の平面視における形状は、例えば、略矩形状の形状であってもよく、四角形以外の多角形状の形状であってもよく、円形状等の形状であってもよい。第２の貫通孔１４の平面視における形状も、多角形状等であってもよい。本明細書において平面視とは、図１における上方から見る方向をいう。

　セル本体２の平面視における外形の形状は、略楕円形である。もっとも、セル本体２の平面視における外形の形状は上記に限定されず、例えば、矩形等であってもよい。

　図１に戻り、第２の貫通孔１４の容積は、第１の貫通孔１３の容積よりも小さい。具体的には、第２の貫通孔１４における第１の主面５に開口している部分の面積は、第１の貫通孔１３における第１の主面５に開口している部分の面積よりも小さい。同様に、第２の貫通孔１４における第２の主面６に開口している部分の面積は、第１の貫通孔１３における第２の主面６に開口している部分の面積よりも小さい。

　第１の主面５上に、上記第１の蓋部材３が接合されている。第１の蓋部材３は、第１の貫通孔１３及び第２の貫通孔１４の一方側、並びに連通部１５を塞いでいる。第２の主面６上に、上記第２の蓋部材４が接合されている。第２の蓋部材４は、第１の貫通孔１３及び第２の貫通孔１４の他方側を塞いでいる。本実施形態において、第１の蓋部材３及び第２の蓋部材４と、セル本体２との平面視における形状は同じであり、略楕円形である。もっとも、第１の蓋部材３及び第２の蓋部材４の形状は、第１の貫通孔１３、第２の貫通孔１４及び連通部１５を塞ぐことができる形状であればよい。第１の蓋部材３及び第２の蓋部材４の形状は、例えば、円板状又は矩形板状等であってもよい。

　原子セル１は、アルカリ金属やバッファガスが封入される容器であり、原子セル１の第１の貫通孔１３内にガス状のアルカリ金属やバッファガスが封入されて用いられる。原子セル１は、原子発振器に用いられる。なお、本実施形態の原子セル１においては、第１の内壁面１６、第１の蓋部材３及び第２の蓋部材４により囲まれている部分が、ガス状のアルカリ金属を封入するガス封入部である。図１に示すように、光源から出射された光Ａが原子セル１に入射し、第１の貫通孔１３を通る。そして、原子セル１から光Ｂが出射する。具体的には、本実施形態では、第１の蓋部材３が入光面を含み、第２の蓋部材４が出光面を含む。第１の蓋部材３から入射した光Ａは、第１の貫通孔１３内のガス状のアルカリ金属に照射される。そして、光Ｂが第２の蓋部材４から出射する。原子セル１から出射した光Ｂは、光検出器に入射する。これにより、信号が取得される。なお、アルカリ金属としては、セシウム（Ｃｓ）やルビジウム（Ｒｂ）を用いることができる。バッファガスとしては、窒素（Ｎ_２）やネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）を用いることができる。

　他方、第２の内壁面１７、第１の蓋部材３及び第２の蓋部材４により囲まれている部分は、アルカリ金属が封入されたアンプルが配置される、アンプル配置部である。本実施形態の特徴は、第２の内壁面１７の、第１の主面５側の端部が傾斜面１７ａであることにある。それによって、第２の貫通孔１４にアルカリ金属が封入されたアンプルを配置し易くすることができ、生産性を高めることができる。以下、この詳細を、原子セル１内にアルカリ金属を封入する方法の一例と共に説明する。

　図５は、セル本体の第２の貫通孔内にアンプルを配置した状態を示す正面断面図である。図６は、原子セルの第１の貫通孔内にアルカリ金属を封入する方法の例を説明するための正面断面図である。

　図５に示すように、セル本体２の第２の主面６に第２の蓋部材４が接合されている。第１の主面５に第１の蓋部材３を接合する前に、第２の貫通孔１４内に、アルカリ金属Ｍが封入されたアンプル１９を配置する。次に、図６に示すように、セル本体２の第１の主面５に第１の蓋部材３を接合する。その後、第２の貫通孔１４内に配置されたアンプル１９に、原子セル１の外側からレーザー光Ｌを照射し、アンプル１９を割る。これにより、ガス状のアルカリ金属が第２の貫通孔１４内に放出される。なお、アンプル１９内に液体状又は固体状のアルカリ金属Ｍが封入されている場合には、加熱によりアルカリ金属Ｍをガス化させてもよい。ガス状のアルカリ金属は、連通部１５を通り、第１の貫通孔１３内にも拡散する。

　ここで、従来においては、アルカリ金属が封入されたアンプルをアンプル配置部に挿入する際には、わずかな位置ずれにより、アンプルがガス封入部に落下し、あるいは、セル本体の外側に落下するおそれがある。例えば、アンプル配置部の径が数ｍｍあるいは１ｍｍ程度である場合には、上記の傾向が顕著となる。さらに、原子セルの小型化が進むにつれて、アンプルをアンプル配置部に確実に配置することは困難となる。

　これに対して、本実施形態においては、第２の貫通孔１４が第１の主面５側の端部から第２の貫通孔１４の内部に向かって縮径する縮径部を有しており、この縮径部は、第２の内壁面１７の、第１の主面５側の端部に位置している傾斜面１７ａとして構成されている。それによって、アンプル１９を第２の貫通孔１４内に挿入する際に、位置ずれが生じた場合においても、傾斜面１７ａに接触したアンプル１９を第２の貫通孔１４内に誘導することができる。従って、アルカリ金属を配置し易くすることができ、生産性を高めることができる。

　なお、平面視におけるアンプル１９の形状と、第２の貫通孔１４の形状とは、相似の関係であることが好ましい。それによって、第２の貫通孔１４内において、アンプル１９の位置決めが容易となる。より詳細には、図６に示すようにアンプル１９を第２の貫通孔１４内に配置した場合、アンプル１９は第２の蓋部材４に接触している。平面視におけるアンプル１９の形状及び第２の貫通孔１４の形状が略相似の関係である場合には、第２の貫通孔１４内において、アンプル１９が第２の内壁面１７に接触し易い。よって、アンプル１９が傾き難く、アンプル１９の位置決めが容易となる。これにより、アンプル１９のサイズに応じてレーザー光Ｌを照射する位置を設定することによって、アンプル１９に、容易に、且つより確実にレーザー光Ｌを照射することができる。従って、ガス状のアルカリ金属を第１の貫通孔１３内に、容易に、且つより確実に拡散させることができる。

　本実施形態においては、平面視におけるアンプル１９の形状及び第２の貫通孔１４の形状は、双方共に円形である。この場合、平面視におけるアンプル１９の直径と、第２の貫通孔１４の直径との差は、０．５ｍｍ以下であることが好ましく、０．２ｍｍ以下であることがより好ましい。それによって、アンプル１９の位置決めがより一層容易となる。一方で、平面視におけるアンプル１９の直径と、第２の貫通孔１４の直径との差は、０．０１ｍｍ以上であることが好ましく、０．０５ｍｍ以上であることがより好ましい。それによって、第２の貫通孔１４内にアンプル１９を配置し易い。

　なお、アルカリ金属を原子セル１内に封入する方法は上記に限定されない。例えば、液体状又は固体状のアルカリ金属を原子セル１内に直接的に配置した後に、加熱等によりアルカリ金属をガス化させてもよい。この場合においても、傾斜面１７ａにより、第２の貫通孔１４内にアルカリ金属を誘導することができるため、アルカリ金属を第２の貫通孔１４内に配置し易い。上述したように、液体状又は固体状のアルカリ金属が、第１の貫通孔１３（気体収納部）に配置されると、第１の貫通孔１３を通る光を遮ることになり、発振特性が低下する場合がある。本実施形態においては、このような不良を生じ難くすることができるため、生産性を効果的に高めることができる。

　ここで、第２の貫通孔１４の第１の主面５側の縮径部を構成する第２の内壁面１７の上記傾斜面１７ａの、第２の貫通孔１４が延びる方向に沿う寸法を、傾斜面１７ａの高さとする。傾斜面１７ａの高さは、０．０５ｍｍ以上であることが好ましく、０．１ｍｍ以上であることがより好ましい。それによって、アンプル１９を第２の貫通孔１４内に、より一層配置し易くすることができる。傾斜面１７ａの高さは、３ｍｍ以下であることが好ましく、２ｍｍ以下であることがより好ましい。この場合には、アンプル１９を傾斜面１７ａに好適に接触させることができ、アンプル１９を第２の貫通孔１４内に、より一層配置し易くすることができる。

　第２の内壁面１７の傾斜面１７ａの、第２の貫通孔１４が延びる方向に対して傾斜している角度を、傾斜面１７ａの傾斜角度とする。傾斜面１７ａの傾斜角度は、１０°以上であることが好ましく、３０°以上であることがより好ましい。それによって、アンプル１９を第２の貫通孔１４内に、より一層配置し易くすることができる。傾斜面１７ａの傾斜角度は、８０°以下であることが好ましく、６０°以下であることがより好ましい。この場合には、アンプル１９を傾斜面１７ａに好適に接触させることができ、アンプル１９を第２の貫通孔１４内に、より一層配置し易くすることができる。

　第１の貫通孔１３及び第２の貫通孔１４の第１の主面５側の縮径部は、第１の内壁面１６及び第２の内壁面１７の傾斜面１６ａ及び傾斜面１７ａを有し、例えば、ドリルやエッチングにより形成することができる。なお、エッチングの場合、毛細管現象が生じる場合は、図３（ａ）に示すように、第１の主面５側に凸状となり、毛細管現象が生じない場合、図３（ｂ）に示すように、第１の主面５側に凹状となる。ドリルを用いた場合、図３（ｃ）に示すように、第１の内壁面１６及び第２の内壁面１７の傾斜面１６ａ及び傾斜面１７ａは、直線状に傾斜する。

　ここで、本実施形態のように、Ｗ３≦Ｗ１であり、かつＷ３≦Ｗ２であることが好ましい。この場合には、隔壁部７の厚みが薄いため、エッチングが進行し易い。よって、エッチングにより、傾斜面１６ａ及び傾斜面１７ａと同時に連通部１５も設けることができる。従って、生産性をより一層高めることができる。

　本実施形態では、セル本体２、第１の蓋部材３及び第２の蓋部材４は、同じガラスにより構成されている。なお、第１の蓋部材３及び第２の蓋部材４の材料は上記に限定されず、光透過性を有する材料であればよい。セル本体２は、例えば、金属、水晶又はシリコン等により構成されていてもよい。もっとも、セル本体２、第１の蓋部材３及び第２の蓋部材４は、ガラスにより構成されていることが好ましい。それによって、セル本体２、第１の蓋部材３及び第２の蓋部材４の熱膨張係数を互いに近づけることができ、接合の安定性を高めることができる。

　第１の蓋部材３及び第２の蓋部材４に用いられるガラスとしては、特に限定されず、例えば、無鉛ガラス、有鉛ガラス、又はビスマス系ガラス等を用いることができる。

　無鉛ガラスとしては、例えば、ガラス組成として、質量％で、ＳｉＯ_２　５０％～６０％、Ａｌ_２Ｏ_３　１０％～１６％、Ｂ_２Ｏ_３　０％～８％、ＭｇＯ　０％～５％、ＣａＯ　１６％～３０％、Ｒ_２Ｏ（Ｒは、Ｌｉ、Ｎａ及びＫから選択される少なくとも１種を表す）０％～２％、及びＰ_２Ｏ_５　０％～３％を含有する、アルミノ珪酸塩系ガラスを用いることができる。

　有鉛ガラスとしては、例えば、ガラス組成として、質量％で、ＳｉＯ_２　１０％～４５％、ＰｂＯ　４０％～７５％、及びＫ_２Ｏ　０．５％～１０％を含有する、鉛系ガラスを用いることができる。

　ビスマス系ガラスとしては、例えば、ガラス組成として、質量％で、Ｂｉ_２Ｏ_３　５％～８０％、Ｂ_２Ｏ_３　５％～３５％、ＺｎＯ　０％～２０％、ＳｉＯ_２　０％～２０％、及びＳｒＯ　０％～３０％を含有する、ガラスを用いることができる。

　セル本体２、第１の蓋部材３及び第２の蓋部材４は、同系統のガラス組成を有することが好ましい。セル本体２、第１の蓋部材３及び第２の蓋部材４は、同じガラス組成を有することがより好ましい。それによって、セル本体２、第１の蓋部材３及び第２の蓋部材４の熱膨張係数を互いに近づけることができ、接合の安定性を高めることができる。よって、原子セル１の気密性を効果的に高めることができる。なお、本明細書において「同系統のガラス組成」のガラスとは、ガラス組成として含有される上位３成分が互いに一致することを指す。また、本発明において、「同じガラス組成」のガラスとは、互いにガラス組成として含有される各成分が一致し、一方のガラスの組成に対して他方のガラスの各成分の含有量の差が＋５％～－５％の範囲内であるものを含む。

　以下、原子セル１の製造方法の一例について説明する。

　（製造方法）
　図７は、原子セルの製造方法における、プリフォームを用意する工程の一例を説明するための斜視図である。図８は、原子セルの製造方法における、中間体を得る工程の一例を説明するための斜視図である。図９は、原子セルの製造方法における、セル本体を得る工程の一例を説明するための正面断面図である。

　原子セル１の製造方法においては、セル本体２をリドロー成形により形成する。具体的には、図７に示すように、リドロー成形に用いるプリフォーム２２を、切削加工等によって用意する。平面視において、プリフォーム２２の少なくとも一部の外形の形状と、得ようとするセル本体２の外形の形状とは、相似の関係を有する。

　次に、プリフォーム２２に、第１の孔部２３及び第２の孔部２４を設ける。平面視において、第１の孔部２３の形状と、得ようとするセル本体２の第１の貫通孔１３の形状とは、相似の関係を有する。同様に、平面視において、第２の孔部２４の形状と、得ようとするセル本体２の第２の貫通孔１４の形状とは、相似の関係を有する。第１の孔部２３及び第２の孔部２４は、例えば、ドリルや超音波加工等により形成することができる。第１の孔部２３及び第２の孔部２４は、貫通孔であってもよく、あるいは、貫通孔ではなくともよい。なお、プリフォーム２２には、第１の孔部２３及び第２の孔部２４を必ずしも設けなくともよい。

　次に、図８に示すように、プリフォーム２２を加熱し、引き延ばす。次に、プリフォーム２２における引き延ばされた部分を切断することにより、中間体２５を得る。図８中のＤ－Ｄ線は、プリフォーム２２が切断されていることを示す。上記切断は、例えば、ダイシングにより行うことができる。中間体２５は、第１の貫通孔１３及び第２の貫通孔１４を有する。中間体２５の第１の貫通孔１３は、プリフォーム２２における第１の孔部２３から形成される。中間体２５の第２の貫通孔１４は、プリフォーム２２における第２の孔部２４から形成される。図８に示す工程を繰り返すことにより、１個のプリフォーム２２から複数の中間体２５を得る。

　なお、プリフォーム２２に第１の孔部２３及び第２の孔部２４を設けない場合には、それぞれの中間体２５に第１の貫通孔１３及び第２の貫通孔１４を設けてもよい。もっとも、プリフォーム２２に第１の孔部２３及び第２の孔部２４を設けることが好ましい。それによって、各中間体２５に第１の貫通孔１３及び第２の貫通孔１４を設ける工程を削減できる。よって、生産性を高めることができる。

　中間体２５は、必ずしもリドロー成形により形成しなくともよい。例えば、中間体２５を切削等により形成してもよい。

　次に、図９に示すように、第１の主面５側をエッチングすることにより、第１の内壁面１６及び第２の内壁面１７の第１の主面５側の端部に傾斜面１６ａ及び傾斜面１７ａを設け、第１の貫通孔１３及び第２の貫通孔１４に第１の主面５側の端部からそれぞれの貫通孔の内部に向かって縮径する縮径部を形成する。ここで、第１の貫通孔１３及び第２の貫通孔１４の間に位置している部分においては、第１の内壁面１６及び第２の内壁面１７の双方においてエッチングが進行するため、他の部分よりもエッチングが進行し易い。これにより、第１の貫通孔１３及び第２の貫通孔１４に第１の主面５側の端部からそれぞれの貫通孔の内部に向かって縮径する縮径部を設けると同時に、連通部１５を設けることができる。従って、生産性を高めることができる。

　上述したように、Ｗ３≦Ｗ１であり、かつＷ３≦Ｗ２であることが好ましい。この場合には、隔壁部７の厚みが薄いため、エッチングがより一層進行し易い。よって、エッチングにより、各傾斜面と同時に連通部１５をより確実に設けることができる。従って、生産性をより一層確実に高めることができる。

　中間体２５をリドロー成形により形成する場合には、隔壁部７の厚みを容易に調整することができる。よって、エッチングの速度を容易に調整することができる。

　もっとも、必ずしも上記各傾斜面１６ａ及び傾斜面１７ａと同時に連通部１５を設けなくともよい。連通部１５は、例えば、ドリルや超音波加工等により形成してもよい。

　なお、第１の内壁面１６及び第２の内壁面１７の傾斜面１６ａ及び傾斜面１７ａと同時に、外壁面１８の第１の主面５側の端部にも傾斜面を形成することもできる。これにより、セル本体２を得る。

　一方で、図１に示した第１の蓋部材３及び第２の蓋部材４を用意する。次に、セル本体２の第１の主面５と第１の蓋部材３とを接合する。このとき、第１の貫通孔１３及び第２の貫通孔１４の一方側、並びに連通部１５を、第１の蓋部材３により塞ぐ。さらに、セル本体２の第２の主面６と第２の蓋部材４とを接合する。このとき、第１の貫通孔１３及び第２の貫通孔１４の他方側を、第２の蓋部材４により塞ぐ。以上により、図１に示す原子セル１を得る。

　なお、アルカリ金属を原子セル１に封入する際には、図５に示したように、セル本体２の第２の主面６と第２の蓋部材４とを接合した後に、セル本体２の第２の貫通孔１４内にアンプル１９等を配置する。本実施形態においては、アンプル１９を第２の貫通孔１４内に挿入する際に、位置ずれが生じた場合においても、傾斜面１７ａに接触したアンプル１９を第２の貫通孔１４内に誘導することができる。従って、アルカリ金属を配置し易くすることができ、生産性を高めることができる。

　その後、セル本体２の第１の主面５と第１の蓋部材３とを接合する。なお、セル本体２の第１の主面５と第１の蓋部材３との接合に際しては、第１の貫通孔１３及び第２の貫通孔１４内にバッファガスを導入し、このバッファガス雰囲気において接合を行う。本発明においては、原子セル１内におけるアルカリ金属は、アンプルに封入された状態であってもよいし、液体又は固体の状態であってもよいし、ガス状の状態であってもよい。原子セル１の使用時に、第１の貫通孔１３内にガス状のアルカリ金属が封入されていればよい。

　以下、セル本体２と、第１の蓋部材３及び第２の蓋部材４との接合の方法の例を説明する。

　セル本体２と、第１の蓋部材３及び第２の蓋部材４との接合は、例えば、加熱圧着により行うことができる。加熱圧着においては、第１の蓋部材３及び第２の蓋部材４を構成するガラス材料の屈伏点以上、軟化点以下の温度域まで、第１の蓋部材３、第２の蓋部材４及びセル本体２を加熱し、荷重を印加することが好ましい。荷重を加える際には、セル本体２と、第１の蓋部材３及び第２の蓋部材４を挟持する。加熱圧着における圧力は、０．５ＭＰａ以下であることが好ましく、０．１ＭＰａ以下であることが好ましく、０．００１ＭＰａ～０．０５ＭＰａであることがさらに好ましい。

　加熱圧着により上記接合を行う場合には、セル本体２の第１の主面５及び第２の主面６、並びに第１の蓋部材３及び第２の蓋部材４の接合面を研磨する必要はない。よって、生産性を高めることができる。もっとも、上記各接合面を、接合前に研磨してもよい。この場合、接合面の算術平均粗さ（Ｒａ）は、０．３ｎｍ以下であることが好ましく、０．２ｎｍ以下であることがより好ましく、０．１ｎｍ以下であることがさらに好ましい。本明細書における算術平均粗さ（Ｒａ）は、ＪＩＳ　Ｂ　０６０１：２０１３に基づく。

　セル本体２と、第１の蓋部材３及び第２の蓋部材４との接合は、オプティカルコンタクトにより行ってもよい。この場合には、接合前に、セル本体２の第１の主面５及び第２の主面６、並びに第１の蓋部材３及び第２の蓋部材４の接合面を研磨する。第１の蓋部材３、第２の蓋部材４及びセル本体２の接合面の算術平均粗さ（Ｒａ）は、１ｎｍ以下であることが好ましく、０．６ｎｍ以下であることがより好ましく、０．４ｎｍ以下であることがさらに好ましい。加熱温度としては、第１の蓋部材３、第２の蓋部材４及びセル本体２を構成するガラスのガラス転移温度以下とすることが好ましく、４００℃以下とすることがより好ましく、３００℃以下とすることがさらに好ましい。また、オプティカルコンタクトにおける加圧の圧力としては、３００ＭＰａ以下であることが好ましく、２００ＭＰａ以下であることがより好ましく、１００ＭＰａ～１５０ＭＰａであることがさらに好ましい。

　セル本体２と、第１の蓋部材３及び第２の蓋部材４との接合は、陽極接合により行ってもよい。陽極接合は、例えば、３００℃以上、３５０℃以下の温度で行うことができる。陽極接合は、例えば、大気圧雰囲気下で行うことができる。陽極接合は、例えば、２５０Ｖ以上、３００Ｖ以下の電圧で行うことができる。この場合、ガラス組成中のアルカリ含有量により電圧を増加させてもよい。また、陽極接合は、例えば、０．１ＭＰａ以上、０．３ＭＰａ以下の加圧下で行うことができる。この場合、セル本体２、第１の蓋部材３及び第２の蓋部材４の厚みに応じて圧力を大きくしてもよい。

　セル本体２と、第１の蓋部材３及び第２の蓋部材４との接合は、レーザーシールにより行ってもよい。レーザーシールは、ガラスフリットを用いて行うことが好ましい。ガラスフリットとしては、例えば、ビスマス系ガラスを用いることができる。ビスマス系ガラスのガラス組成は、例えば、モル％で、Ｂｉ_２Ｏ_３　３９％、Ｂ_２Ｏ_３　２３．７％、ＺｎＯ　１４．１％、Ａｌ_２Ｏ_３　２．７％、ＣｕＯ　２０％、Ｆｅ_２Ｏ_３　０．６％とすることができる。

　レーザーシールによる接合の一例では、まず、ガラスフリットと、必要に応じてビークル及び溶剤とを含むペーストを用意する。次に、このペーストをセル本体２の第１の主面５及び第２の主面６上に塗布及びグレーズ（加熱処理）し、額縁状の封着材料層を形成する。次に、封着材料層を形成したセル本体２の第１の主面５及び第２の主面６上に、それぞれ、第１の蓋部材３及び第２の蓋部材４を載置する。これにより、セル本体２の第１の主面５及び第２の主面６と第１の蓋部材３及び第２の蓋部材４との間に封着材料層を配置することができる。なお、額縁状の封着材料層は、第１の蓋部材３側及び第２の蓋部材４側に形成してもよい。あるいは、セル本体２の第１の主面５及び第２の主面６と第１の蓋部材３及び第２の蓋部材４との両方に封着材料を塗布してもよい。次に、レーザー光を、第１の蓋部材３を通して照射し、一方の封着材料層を加熱溶融する。同様に、レーザー光を、第２の蓋部材４を通して照射し、他方の封着材料層を加熱溶融する。これらにより、封着材料層を軟化変形させることにより、セル本体２の第１の主面５及び第２の主面６と第１の蓋部材３及び第２の蓋部材４とを気密封着して接合することができる。なお、レーザー光としては、例えば、波長８０８ｎｍ、３Ｗ～２０Ｗの半導体レーザーを用いることができる。

　また、セル本体２と、第１の蓋部材３及び第２の蓋部材４との接合は、樹脂接着剤や無機接着剤等の接着剤を用いて行ってもよい。

　（原子セル）
　（第２の実施形態）
　図１０は、第２の実施形態に係る原子セルを示す正面断面図である。本実施形態は、セル本体３２の第２の主面６側の構成が第１の実施形態と異なる。上記の点以外においては、本実施形態の原子セル３１は第１の実施形態の原子セル１と同様の構成を有する。

　セル本体３２においては、第１の貫通孔１３及び第２の貫通孔１４が、第２の主面６側の端部から第１の貫通孔１３及び第２の貫通孔１４の内部に向かって縮径する縮径部を有している。具体的には、第１の貫通孔１３の縮径部は、第１の内壁面１６の、第２の主面６側の端部に位置している傾斜面１６ｂとして構成されている。傾斜面１６ｂは、第１の貫通孔１３が延びる方向に対して傾斜している。また、第２の貫通孔１４は、第２の主面６側の端部から第２の貫通孔１４の内部に向かって縮径する縮径部を有している。第２の貫通孔１４の縮径部は、第２の内壁面１７の、第２の主面６側の端部に位置している傾斜面１７ｂとして構成されている。傾斜面１７ｂは、第２の貫通孔１４が延びる方向に対して傾斜している。

　原子セル３１は、第１の連通部３５及び第２の連通部３６を有する。第１の貫通孔１３及び第２の貫通孔１４は、第１の連通部３５及び第２の連通部３６の双方において連通している。第１の連通部３５は、第１の実施形態の連通部１５と同様に配置されている。他方、第２の連通部３６は、隔壁部３７の第２の主面６側の端部上に位置している。具体的には、第２の連通部３６は、隔壁部３７の第２の主面６側の端部と、第２の蓋部材４との間に位置している。第１の内壁面１６及び第２の内壁面１７の、第２の連通部３６に接続されている部分は、第１の貫通孔１３及び第２の貫通孔１４の縮径部を構成する傾斜面１６ｂ及び傾斜面１７ｂに位置している。さらに、外壁面１８の第２の主面６側の端部も傾斜面である。

　本実施形態においても、アルカリ金属を第２の貫通孔１４内に配置し易くすることができ、生産性を高めることができる。加えて、第１の連通部３５及び第２の連通部３６を有するため、ガス状のアルカリ金属を第１の貫通孔１３内に、より確実に、均一に拡散させることができる。

　第１の内壁面１６、第２の内壁面１７及び外壁面１８の第２の主面６側の端部における傾斜面１６ｂ及び傾斜面１７ｂは、第１の主面５側と同様に、第２の主面６側をエッチングすることにより形成することができる。第２の連通部３６も、上記各傾斜面と同時に、エッチングにより形成することができる。第１の主面５側及び第２の主面６側のエッチングを同時に行ってもよい。

　本発明の原子セルは、例えば、波長の異なる２種類の光による量子干渉効果を利用してアルカリ金属を共鳴遷移させる原子発振器に用いることができる。もっとも、光及びマイクロ波による二重共鳴現象を利用してアルカリ金属を共鳴遷移させる原子発振器に用いてもよく、特に限定されない。

１…原子セル
２…セル本体
３…第１の蓋部材
４…第２の蓋部材
５…第１の主面
６…第２の主面
７…隔壁部
１３…第１の貫通孔
１４…第２の貫通孔
１５…連通部
１６…第１の内壁面
１６ａ，１６ｂ…傾斜面
１７…第２の内壁面
１７ａ，１７ｂ…傾斜面
１８…外壁面
１９…アンプル
２２…プリフォーム
２３…第１の孔部
２４…第２の孔部
２５…中間体
３１…原子セル
３２…セル本体
３５…第１の連通部
３６…第２の連通部
３７…隔壁部

Claims (10)

1. 　対向し合う第１の主面及び第２の主面を有し、前記第１の主面及び前記第２の主面間を貫通している第１の貫通孔及び第２の貫通孔が設けられており、前記第１の貫通孔を囲んでいる第１の内壁面と、前記第２の貫通孔を囲んでいる第２の内壁面と、を有するセル本体と、
   　前記セル本体の前記第１の主面上に設けられており、前記第１の貫通孔及び前記第２の貫通孔の一方側を塞いでいる第１の蓋部材と、
   　前記セル本体の前記第２の主面上に設けられており、前記第１の貫通孔及び前記第２の貫通孔の他方側を塞いでいる第２の蓋部材と、
   を備え、
   　前記第２の貫通孔が、前記第１の主面側の端部から内部に向かって縮径する縮径部を有する、原子セル。
2. 　前記第２の内壁面、前記第１の蓋部材及び前記第２の蓋部材により囲まれている部分が、アルカリ金属が封入されたアンプルが配置される、アンプル配置部である、請求項１に記載の原子セル。
3. 　前記第１の貫通孔が、前記第１の主面側の端部から内部に向かって縮径する縮径部を有する、請求項１又は２に記載の原子セル。
4. 　前記セル本体が、前記第１の貫通孔及び前記第２の貫通孔の間に位置している隔壁部を有し、
   　前記セル本体に、前記第１の貫通孔及び前記第２の貫通孔を連通させる連通部が設けられており、
   　前記連通部が、前記隔壁部の前記第１の主面側の端部と、前記第１の蓋部材との間に位置しており、且つ、前記第１の貫通孔及び前記第２の貫通孔の縮径部に位置している、請求項３に記載の原子セル。
5. 　前記第１の貫通孔が、前記第２の主面側の端部から内部に向かって縮径する縮径部を有し、
   　前記第２の貫通孔が、前記第２の主面側の端部から内部に向かって縮径する縮径部を有する、請求項４に記載の原子セル。
6. 　前記連通部が第１の連通部であり、
   　前記セル本体に、前記第１の貫通孔及び前記第２の貫通孔を連通させる第２の連通部が設けられており、
   　前記第２の連通部が、前記隔壁部の前記第２の主面側の端部と、前記第２の蓋部材との間に位置しており、且つ、前記第１の貫通孔及び前記第２の貫通孔の縮径部に位置している、請求項５に記載の原子セル。
7. 　前記セル本体がガラスにより構成されている、請求項１又は２に記載の原子セル。
8. 　請求項１～７のいずれか１項に記載の原子セルを製造する方法であって、
   　前記第１の主面、前記第２の主面、前記第１の貫通孔及び前記第２の貫通孔を有する、前記セル本体の中間体を形成する工程と、
   　エッチングにより、前記第２の貫通孔の、前記第１の主面側の端部に、内部に向かって縮径する縮径部を形成することにより、前記セル本体を得る工程と、
   　前記セル本体の前記第１の主面上に前記第１の蓋部材を接合する工程と、
   　前記セル本体の前記第２の主面上に前記第２の蓋部材を接合する工程と、
   を備える、原子セルの製造方法。
9. 　リドロー成形により、プリフォームから前記中間体を形成する、請求項８に記載の原子セルの製造方法。
10. 　前記プリフォームに第１の孔部及び第２の孔部を形成した後に、リドロー成形により前記中間体を形成する工程を行う、請求項９に記載の原子セルの製造方法。

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