JP4830141B2

JP4830141B2 - 原子発振器

Info

Publication number: JP4830141B2
Application number: JP2006151393A
Authority: JP
Inventors: 幸治珎道
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2006-05-31
Filing date: 2006-05-31
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2026-05-31
Also published as: JP2007324818A

Description

本発明は、原子発振器に関し、さらに詳しくは、空胴共振器外部の熱変動が空胴共振器内部のガスセルに及ぼす影響を解消するようにした原子発振器の構成に関するものである。

近年、通信網や放送網等のディジタルネットワーク化が進み、これに伴い、伝送装置の
クロック信号や放送局の基準周波数の生成に使用されるクロック源として、高精度・高安
定な発振器が必要不可欠なものとなっている。そのような要請を満たす発振器として、発
振周波数の精度・安定度が高いルビジウム原子発振器が多く用いられている。また、近年
、原子発振器の小型化への要求が高まり、光マイクロ波ユニット(ＯＭＵ部)も含めて全体
を小型化する必要性に迫られている。この小型化に伴って、空胴共振器も小型化が余儀な
くされている。

図８に従来のルビジウム原子発振器の構成例を示す。ルビジウム原子発振器は同図に示
すように、ポンピング光源３１、ポンピング光源３１を入射させる光通過孔を備えた空胴
共振器３３、空胴共振器３３の内部に備えられ、ルビジウム原子のガスを封入したガスセ
ル３８、空胴共振器３３内部にマイクロ波を励振するアンテナ３６、ガスセル３８を通過
したポンピング光源３１の光量を検出する光検出器３７、光検出器３７の出力に応じて上
記励振用のマイクロ波の周波数を制御する周波数制御回路４１、空胴共振器３３を加熱し
て一定温度に保つ温度制御回路４０、空胴共振器３３の共振周波数を調整するために空胴
共振器３３の長さを調節し得るようにネジ溝が刻まれた周波数調整用可動板３２を備えて
いる。

空胴共振器３３がルビジウム原子の共鳴周波数（６．８３４６８２…ＭＨｚ）で励振さ
れると、ガスセル３８内のルビジウム原子はポンピング光源３１から入射される光を最も
多量に吸収する。この現象は光検出器３７の出力低下によって観測され、周波数制御回路
４１は、空胴共振器３３を励振するマイクロ波（アンテナ３６から放射するマイクロ波）
の周波数を、光検出器３７の出力値が最も低下する周波数に制御する。こうすることによ
り、周波数制御回路４１から、ルビジウム原子の共鳴周波数（６．８３４６８２…ＭＨｚ
）に同期した精度の高い発振器出力信号を取出すことができ、この出力信号を高精度・高
安定のクロック源又は基準周波数信号源として利用することができる。

また、ルビジウム原子発振器の小型化は、ルビジウム原子共鳴周波数のマイクロ波が定在する空胴共振器３３の小型化に依存するところが多く、空胴共振器３３を円筒形共振器として共振モードをＴＥ１１１の基本モードとし、空胴共振器３３の内部に内蔵するガスセル３８のガラス厚・形状を最適化する等により小型化を図っていた。
実際、小型化の一手法として特許文献１には、図９に示すように、空胴共振器５３の内壁面に高熱伝導性を有する高誘電体物質５８を密着して配置し、この高誘電体物質５８によりアンテナ５６より放射するマイクロ波の波長を短縮することにより、空洞共振器５３の全長（全長：周波数調整用可動板５２から光検出器５７間の長さ）を短縮し、また、高誘電体物質５８を高熱伝導性を有する材料にて製作し、且つ空胴共振器５３に密着して配置することにより、空胴共振器５３外に設置したヒータ５９によるルビジウムセルの加熱を早くして、ガスセル５４が適正な動作温度条件に到達する時間を短縮することを可能とした技術が開示されている。

しかしながら、特許文献１に開示された手法では、高誘電体物質５８を空胴共振器５３に密着することにより、空胴共振器５３とガスセル５４の熱結合が高くなってしまうために、空胴共振器外の温度の変化がガスセル５４に伝わり易くなってしまうという問題がある。そのためガスセル５４の温度が変動し易くなり、原子発振器としての出力周波数が短期的に変動してしまうといった問題がある。

この空胴共振器外の温度が変化する原因としては、主に原子発振器本体の外部温度の変化が挙げられる。例えば、原子発振器本体の周囲温度が短期的に急変した場合に、この外気温度の変化が空胴共振器５３ひいてはガスセル５４に伝達し、ガスセル５４の温度が揺らぎ易くなる。また、空胴共振器外の温度変化のもう一つの原因としては、原子発振器を基準発振源として動作させる別の装置や回路が併設される場合に、冷却用のファンが原子発振器近傍で使用される可能性があり、そのファンからの送風による影響で原子発振器の周囲に空気の擾乱が起き、その擾乱のために発振器から一定でない放熱が起きることが挙げられる（擾乱のない場合は原子発振器自身の発熱に起因する安定した空気の対流による放熱が起きている）。この一定でない放熱により筐体温度が安定せず、温度の変化が空胴共振器５３ひいてはガスセル５４に伝達し、ガスセル５４の温度が揺らいでしまうといった問題がある。
特に特許文献１の方式は小型化を目指すものであるため、筐体とガスセル５４の物理的距離は必然的に短くなり、ガスセル５４の温度揺らぎを防ぐ対策として、筐体とガスセル５４間に充分な保温材を配設することも困難であると考えられる。

また、ガスセル５４にはルビジウム金属が封入されており、ガスセル５４を加熱するこ
とでルビジウム金属の一部をガス化してルビジウムガスセルとして機能している。ルビジ
ウムガスはルビジウムガスセルのその時の温度における蒸気圧で気化するため、封入した
金属の全てが気化するわけではない。従って、気化しない金属はガスセルの中に溜まった
状態になる。この気化しない金属は空胴共振器５３内のマイクロ波の共振にとって損失と
なり、共振のＱを低下させるため、気化しない金属はマイクロ波を損失させにくい位置に
集めておく必要がある。そのために、ガスセル５４の一部の温度を意図的に機構的な工夫
により冷ますことで気化しない金属をこの冷却ポイント６１に溜める必要があるが、特許
文献１の様に空胴共振器外の熱変動が内部に伝達しやすい構造にすると、金属を集める冷
却ポイント６１の温度が不安定となってしまう。

本発明は、かかる課題に鑑み、空胴共振器と高誘電体物質の間に空隙を設け、空気の低
熱伝導性を利用して、空胴共振器と高誘電体物質の結合を粗結合として空胴共振器外の温
度変動の影響を遮断することにより、簡単な構成でガスセルの温度を安定化し、且つルビ
ジウム金属を一箇所に集め易くすることができる原子発振器を提供することを目的とする
。

本発明はかかる課題を解決するために、ルビジウム光源からの入射光のマイクロ波周波数に応じた光吸収特性を利用して発振周波数を制御する原子発振器であって、ルビジウム原子の共鳴周波数付近で共振する空胴共振器と、前記ルビジウム原子を封入したガスセルと、前記空胴共振器の内部であって前記ガスセルの外径側に前記入射光の光軸と軸が平行になるように配置した高熱伝導性を有する中空筒状の高誘電体物質と、を備え、前記空胴共振器の内面と前記高誘電体物質の外面との間に空隙を設けたことを特徴とする。
空胴共振器と高熱伝導性を有する中空筒状の高誘電体物質が密着して配置された場合、原子発振器本体の周囲温度が短期的に急変すると、この外気温度の変化が空胴共振器ひいてはガスセルに伝達し、ガスセルの温度が揺らぎ易くなる。そこで本発明では、空胴共振器の内面と高誘電体物質の外面との間に空隙を設け、外部の温度変化の影響を遮断するものである。これにより、ガスセルの温度の揺らぎを低減して、ルビジウム金属を一箇所に集め易くすることができる。

また、前記空隙は、少なくとも２つの細幅のスペーサを前記高誘電体物質表面に周回することにより構成されることを特徴とする。
空隙をあまり広くすると空胴共振器の熱が高誘電体物質に伝達しづらくなる。そこで本発明では、一定の厚みを有したテープ状のスペーサを高誘電体物質表面に周回させることにより、そのスペーサの厚み分の空隙を形成するものである。これにより、空気が密閉されるようになるため、一旦加熱された空気の温度が変動しづらくなる。

また、前記空隙は、少なくとも２つの断片状のスペーサを前記高誘電体物質表面に配置
することにより構成されることを特徴とする。
この構成は、空隙が高誘電体物質表面の殆どに形成され、少ないスペーサで多くの空隙
を確保することができる。

また、前記空隙は、少なくとも２つの細幅のスペーサを前記高誘電体物質表面の軸方向に沿って設けることにより構成されることを特徴とする。
この構成は、空隙が各スペーサ間に形成され、空隙がスペーサによって密閉されることが無いため、空気の対流がスムーズに行われる。また、細幅のスペーサを高誘電体物質表面の軸方向に沿って設けるので、空胴共振器内に高誘電体物質を挿入し易くなる。

また、前記空隙は、少なくとも２つの細幅のスペーサを前記高誘電体物質表面に部分的
に周回することにより構成されることを特徴とする。
スペーサを高誘電体物質表面の外周に隙間なく周回すると空隙が密閉される。本発明で
は、隙間なく周回することによって閉空間としての空隙を形成するのではなく、個々のス
ペーサを部分的に切除する等して非連続に構成することにより空隙を密閉しないように構
成して、空気の対流を促進するものである。

また、前記空隙は、少なくとも２つの細幅のスペーサを前記高誘電体物質表面に軸方向
と交叉するように設けることにより構成されることを特徴とする。
スペーサを高誘電体物質表面に軸方向と平行にせず、斜めに交叉させるように構成する
ことにより、高誘電体物質表面の空隙を一箇所に集中させることなく、分散させることが
でき、高誘電体物質表面の温度勾配を少なくすることができる。

また、前記空隙は、少なくとも１つの細幅のスペーサを前記高誘電体物質表面に螺旋状
に設けることにより構成されることを特徴とする。
スペーサを高誘電体物質表面に螺旋状に設けることにより、１本のスペーサにより空隙
を容易に形成することができ、且つ、高誘電体物質表面の温度勾配を少なくすることがで
きる。

また、前記スペーサは、前記高誘電体物質の熱伝導率に比べて低い熱伝導率を有する材質により構成されることを特徴とする。
スペーサは高誘電体物質に空胴共振器の熱が直接伝達するのを防止する必要がある。そのためには、高誘電体物質の熱伝導率に比べて低い熱伝導率を有する材質により構成されることが必要である。

また、前記スペーサは、テフロン（登録商標）又はカプトンであることを特徴とする。
スペーサは低熱伝導率で且つ耐熱性の材質が好ましい。その意味では、テフロン（登録
商標）又はカプトンが最適である。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
図１は本発明の一実施形態に係る原子発振器の要部構成を示す図である。この原子発振器１００は、ルビジウム原子の共鳴周波数付近で共振する空胴共振器３と、ルビジウム原子を封入したガスセル４と、高熱伝導性を有する中空筒状の高誘電体物質８と、ルビジウム光源１と、空胴共振器３内部にマイクロ波を励振するアンテナ６と、ガスセル４を透過したルビジウム光源１の光量を検出する光検出器７と、空胴共振器３をヒータ９により加熱して一定温度に保つ温度制御回路１０と、空胴共振器３の共振周波数を調整するために空胴共振器３の長さを調節し得るようにネジ溝が刻まれた周波数調整用可動板２と、を備えて構成される。尚、空胴共振器３の内部であってガスセル４の外径側に入射光の光軸と軸が平行になるように配置した高熱伝導性を有する中空筒状の高誘電体物質８を備え、空胴共振器３の内面３ａと高誘電体物質８の外面８ａとの間に空隙１２を設けるために、本実施形態では少なくとも２つの帯状のスペーサ１１を高誘電体物質８の外周に周回するように設けた。

即ち、高誘電体物質８を空胴共振器３の内寸よりも小さく作り、更に高誘電体物質８の両端部に例えば、幅１ｍｍ程度の細く切った耐熱性テープ１１を１回転以上巻きつける。
この様にすることで、高誘電体物質８と空胴共振器３の間にテープの厚み（０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ）分による空隙１２を設けることができる（詳細は後述する）。この空隙には空気が入っており、空気の熱伝導率の低さを利用して高誘電体物質８と空胴共振器間３を熱的に粗結合にすることができるため、ガスセル４ヘも空胴共振器３外部の熱変動が伝わり難くなる。また、テープの基材はテフロン（登録商標）やカプトンのような比較的低熱伝導性のものを用いるとより効果的である。これにより、ガスセル４の温度が安定するため、気化していないルビジウム金属をルビジウム溜まり部１３に集めておくことが容易になる。

図２は本発明の第１の実施形態に係る高誘電体物質の模式図である。同じ構成要素には
図１と同じ参照番号を付して説明する。以下、同様とする。（ａ）は高誘電体物質の斜視
図であり、（ｂ）は高誘電体物質をＡ側からみた図である。この実施形態では、少なくと
も２つの帯状のスペーサ１１ａ、１１ｂを高誘電体物質８の表面に周回することにより構
成される。従って、スペーサ１１ａ、１１ｂにより囲まれた範囲Ｂにスペーサ１１ａ、１
１ｂの厚み分の空隙が形成される。この構成は、空隙がスペーサ１１ａ、１１ｂにより囲
まれ、空気が密閉されるようになるため、一旦加熱された空気の温度は変動しづらくなる
。そのため、一旦所定の温度になると、例えば周囲に空気の擾乱が起きた場合でも即座に
その影響を受けることなく、安定した温度に保つことができる。尚、この実施形態では、
スペーサを２箇所としたが、これ以上であっても構わない。しかし、空隙の面積を多く確
保するためには、最小限のスペーサであることが好ましい。

図３は本発明の第２の実施形態に係る高誘電体物質の模式図である。（ａ）は高誘電体物質の斜視図であり、（ｂ）は高誘電体物質をＡ側からみた図である。この実施形態では、少なくとも２つの細幅のスペーサ２１ａ、２１ｂ、２１ｃを高誘電体物質８の軸方向に沿って設けることにより構成される。この構成は、空隙が各スペーサ間に形成され、空隙がスペーサによって完全に密閉されることが無いため、空気の対流がスムーズに行われる。しかし、高誘電体物質８の軸方向に沿って設けたスペーサ部分は、常に熱が伝わりにくくなっているため、軸方向に一定の温度勾配が発生しやすくなる。また、細幅のスペーサ２１ａ、２１ｂ、２１ｃを高誘電体物質８の表面の軸方向に沿って設けるので、空胴共振器３内に高誘電体物質８を挿入し易くなる。尚、この実施形態では、スペーサを３つとしたが、これ以上であっても構わない。しかし、空隙の面積を多く確保するためには、最小限のスペーサであることが好ましい。

図４は本発明の第３の実施形態に係る高誘電体物質の模式図である。（ａ）は高誘電体
物質の斜視図であり、（ｂ）は高誘電体物質をＡ側からみた図である。この実施形態では
、少なくとも２つの断片状のスペーサ２２Ａ〜２２Ｃ、２２ａ〜２２ｃを高誘電体物質８
の表面に配置することにより構成される。この構成は、空隙が高誘電体物質表面の殆どに
形成され、最も広い空隙を確保することができる。また、スペーサを配置する面積が少な
く、且つ分散するため、高誘電体物質表面に温度勾配が発生することは殆どなくなる。尚
、この実施形態では、スペーサを対称的に配置したが、これに限らずランダムな位置に配
置しても構わない。しかし、空隙の面積を多く確保するためには、最小限のスペーサであ
ることが好ましい。

図５は本発明の第４の実施形態に係る高誘電体物質の模式図である。（ａ）は高誘電体
物質の斜視図であり、（ｂ）は高誘電体物質をＡ側からみた図である。この実施形態では
、少なくとも２つの細幅のスペーサ２３ａ、２３ｂ、２３Ａ、２３Ｂを高誘電体物質８の
表面に部分的に周回することにより構成される。スペーサを高誘電体物質８の表面の外周
に隙間なく周回すると空隙が密閉され、密閉された場合の利点はそれなりに存在するが、
本実施形態では、隙間なく周回するのでなく、スペーサの一部分を開放して空隙を密閉し
ないようにすることにより、空気の対流を促進するものである。尚、この実施形態では、
スペーサを４箇所としたが、これ以上であっても構わない。しかし、空隙の面積を多く確
保するためには、最小限のスペーサであることが好ましい。

図６は本発明の第５の実施形態に係る高誘電体物質の模式図である。（ａ）は高誘電体
物質の斜視図であり、（ｂ）は高誘電体物質をＡ側からみた図である。この実施形態では
、少なくとも２つの細幅のスペーサ２４ａ、２４ｂ、２４ｃを高誘電体物質８の表面に軸
方向と交叉するように設けることにより構成される。スペーサ２４ａ、２４ｂ、２４ｃを
高誘電体物質８の表面に軸方向と平行にせず、斜めに交叉させるように構成することによ
り、高誘電体物質８の表面の空隙を一箇所に集中させることなく、分散させることができ
、高誘電体物質８の表面の温度勾配を少なくすることができる。尚、この実施形態では、
スペーサを３箇所としたが、これ以上であっても構わない。しかし、空隙の面積を多く確
保するためには、最小限のスペーサであることが好ましい。

図７は本発明の第６の実施形態に係る高誘電体物質の模式図である。（ａ）は高誘電体
物質の斜視図であり、（ｂ）は高誘電体物質をＡ側からみた図である。この実施形態では
、少なくとも１つの細幅のスペーサ２５を高誘電体物質８の表面に螺旋状に設けることに
より構成される。スペーサ２５を高誘電体物質８の表面に螺旋状に設けることにより、１
本のスペーサ２５により空隙を容易に形成することができ、且つ、高誘電体物質８の表面
の温度勾配を少なくすることができる。また、螺旋の密度は阻にすることにより、空隙を
多く確保することができる。

本発明の一実施形態に係る原子発振器の要部構成を示す図である。本発明の第１の実施形態に係る高誘電体物質の模式図である。本発明の第２の実施形態に係る高誘電体物質の模式図である。本発明の第３の実施形態に係る高誘電体物質の模式図である。本発明の第４の実施形態に係る高誘電体物質の模式図である。本発明の第５の実施形態に係る高誘電体物質の模式図である。本発明の第６の実施形態に係る高誘電体物質の模式図である。従来のルビジウム原子発振器の構成例を示す図である。従来のルビジウム原子発振器の高誘電体物質を使用した場合の構成例を示す図である。

符号の説明

１ルビジウム光源、２周波数調整用可動板、３空胴共振器、４ガスセル、５
空胴共振器、６アンテナ、７光検出器、８高誘電体物質、９ヒータ、１０温度制御回路、１１スペーサ、１２空隙、１３ルビジウム金属溜まり部、１００原子発振器

Claims

ルビジウム光源からの入射光のマイクロ波周波数に応じた光吸収特性を利用して発振周波数を制御する原子発振器であって、
ルビジウム原子の共鳴周波数付近で共振する空胴共振器と、
前記空胴共振器の内部に配置され前記入射光が通過するガスセルと、
前記空胴共振器の内部に配置され、且つ前記ガスセルを取り囲むように筒状に形成された高誘電体物質と、
前記高誘電体物質の外面と前記空胴共振器の内面とに挟まれて、前記高誘電体物質の外面と前記空胴共振器の内面との間に空隙が形成されるように、前記高誘電体物質の外面の一部及び前記空胴共振器の内面の一部に接触するスペーサと、を備えたことを特徴とする原子発振器。
前記スペーサを複数備えたことを特徴とする請求項１記載の原子発振器。
前記複数のスペーサが、前記高誘電体物質の表面に、前記ガスセルを通過する前記入射光の方向に沿って配置されていることを特徴とする請求項２に記載の原子発振器。
前記複数のスペーサが、前記高誘電体物質の表面を周回していることを特徴とする請求項３に記載の原子発振器。
前記複数のスペーサが、断片状のスペーサであることを特徴とする請求項３に記載の原子発振器。
前記スペーサが、前記高誘電体物質の表面に、前記ガスセルを通過する前記入射光の方向に沿って延びていることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の原子発振器。
前記スペーサが、前記高誘電体物質の表面に直線状に設けられていることを特徴とする請求項６に記載の原子発振器。
前記スペーサが、前記高誘電体物質の表面に螺旋状に設けられていることを特徴とする請求項６に記載の原子発振器。
前記スペーサは、前記高誘電体物質の熱伝導率に比べて低い熱伝導率を有する材料により構成されることを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項に記載の原子発振器。