(57)【要約】      （修正有）【課題】周波数安定性が高い原子発振器および周波数信号生成システムを提供すること。【解決手段】原子発振器は、アルカリ金属原子が収容されている原子セル２０１と、アルカリ金属原子を励起する光を原子セルに向って出射する発光素子と、磁気シールド性を有する第１部材６Ａおよび第２部材６Ｂと、第１部材および第２部材の間に設けられる。第１部材および第２部材よりも熱抵抗が高い高熱抵抗部を有し、原子セルを収容するシールド２０７、２０８と、第１部材の温度を制御する温度制御素子２１２と、第２部材に熱的に接続されたヒーターと、原子セルを透過した光を受光する受光素子２０２を含む。【選択図】図５
2020141342.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルカリ金属原子が収容されている原子セルと、
前記アルカリ金属原子を励起する光を前記原子セルに向って出射する発光素子と、
磁気シールド性を有する第１部材および第２部材と、前記第１部材および前記第２部材の間に設けられ、前記第１部材および前記第２部材よりも熱抵抗が高い高熱抵抗部と、を有し、前記原子セルを収容するシールドと、
前記第１部材の温度を制御する温度制御素子と、
前記第２部材に熱的に接続されたヒーターと、
前記原子セルを透過した光を受光する受光素子と、を含む、原子発振器。
【請求項２】
前記原子セルの第１部分および前記第１部材と熱的に接続され、前記原子セルを保持する第１保持部材と、
前記原子セルの前記第１部分とは異なる第２部分および前記第２部材と熱的に接続され、前記原子セルを保持する第２保持部材と、を有する、請求項１に記載の原子発振器。
【請求項３】
前記第１部分には、液体または固体のアルカリ金属原子が収容されている、請求項２に記載の原子発振器。
【請求項４】
前記第１部材は開口を有し、
前記第２部材の前記ヒーターと接続されている部分は、前記開口に面している、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の原子発振器。
【請求項５】
前記シールドは、６面体であり、
前記第１部材および前記第２部材のうちの少なくとも一方は、前記シールドが有する６面のうち、対向する２つの面と、前記２つの面を接続する面と、を含む、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の原子発振器。
【請求項６】
前記第１部材および前記第２部材のうちの少なくとも一方は、伝熱層で覆われている請求項１ないし５のいずれか１項に記載の原子発振器。
【請求項７】
原子発振器と、
前記原子発振器からの周波数信号を処理する処理部と、を備え、
前記原子発振器は、
アルカリ金属原子が収容されている原子セルと、
前記アルカリ金属原子を励起する光を前記原子セルに向って出射する発光素子と、
磁気シールド性を有する第１部材および第２部材と、前記第１部材および前記第２部材の間に設けられ、前記第１部材および前記第２部材よりも熱抵抗が高い高熱抵抗部と、を有し、前記原子セルを収容するシールドと、
前記第１部材の温度を変化させる温度制御素子と、
前記第２部材に熱的に接続されたヒーターと、
前記原子セルを透過した光を受光する受光素子と、を含む、周波数信号生成システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子発振器および周波数信号生成システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ルビジウム、セシウム等のアルカリ金属原子のエネルギー遷移に基づいて発振する原子発振器が知られている。例えば、特許文献１に記載の原子発振器は、アルカリ金属原子が封入されたガスセルと、ガスセルを加熱するヒーターと、ガスセルの温度を制御するペルチェ素子と、これらを覆う磁気遮蔽性を有する磁気遮蔽体と、を有している。ガスセルが磁気遮蔽体に収納されていることにより、ガスセル内の磁場を安定させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−０９２７９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の原子発振器では、磁気遮蔽体は、箱状の蓋体がガスセルおよびガスセル保持部材を覆っている。このため、例えば、ガスセルに温度分布を形成したい場合を想定すると、シールドの温度が原子セルの温度分布に影響を与えてしまい、原子セルの温度の安定性が低下するおそれがある。その結果、原子発振器の周波数安定性を低下させるおそれがある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の適用例として実現することが可能である。
【０００６】
本適用例に係る原子発振器は、アルカリ金属原子が収容されている原子セルと、
前記アルカリ金属原子を励起する光を前記原子セルに向って出射する発光素子と、
磁気シールド性を有する第１部材および第２部材と、前記第１部材および前記第２部材の間に設けられ、前記第１部材および前記第２部材よりも熱抵抗が高い高熱抵抗部と、を有し、前記原子セルを収容するシールドと、
前記第１部材の温度を制御する温度制御素子と、
前記第２部材に熱的に接続されたヒーターと、
前記原子セルを透過した光を受光する受光素子と、を含む。
【０００７】
本適用例に係る原子発振器では、前記原子セルの第１部分および前記第１部材と熱的に接続され、前記原子セルを保持する第１保持部材と、
前記原子セルの前記第１部分とは異なる第２部分および前記第２部材と熱的に接続され、前記原子セルを保持する第２保持部材と、を有することが好ましい。
【０００８】
本適用例に係る原子発振器では、前記第１部分には、液体または固体のアルカリ金属原子が収容されていることが好ましい。
【０００９】
本適用例に係る原子発振器では、前記第１部材は開口を有し、
前記第２部材の前記ヒーターと接続されている部分は、前記開口に面していることが好ましい。
【００１０】
本適用例に係る原子発振器では、前記シールドは、６面体であり、
前記第１部材および前記第２部材のうちの少なくとも一方は、前記シールドが有する６面のうち、対向する２つの面と、前記２つの面を接続する面と、を含むことが好ましい。
【００１１】
本適用例に係る原子発振器では、前記第１部材および前記第２部材のうちの少なくとも一方は、伝熱層で覆われていることが好ましい。
【００１２】
本適用例に係る周波数信号生成システムは、原子発振器と、
前記原子発振器からの周波数信号を処理する処理部と、を備え、
前記原子発振器は、
アルカリ金属原子が収容されている原子セルと、
前記アルカリ金属原子を励起する光を前記原子セルに向って出射する発光素子と、
磁気シールド性を有する第１部材および第２部材と、前記第１部材および前記第２部材の間に設けられ、前記第１部材および前記第２部材よりも熱抵抗が高い高熱抵抗部と、を有し、前記原子セルを収容するシールドと、
前記第１部材の温度を変化させる温度制御素子と、
前記第２部材に熱的に接続されたヒーターと、
前記原子セルを透過した光を受光する受光素子と、を含む。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施形態に係る原子発振器を示す概略図である。
【図２】第１実施形態に係る原子発振器の断面側面図、すなわち、ＸＺ平面に沿った断面図である。
【図３】第１実施形態に係る原子発振器のＸＹ平面に沿った断面図である。
【図４】第１実施形態に係る原子発振器が備える原子セルユニットのＸＹ平面に沿った断面図である。
【図５】第１実施形態に係る原子発振器が備える原子セルユニットのＸＺ平面に沿った断面図である。
【図６】第１実施形態に係る原子発振器が備えるシールドの分解斜視図である。
【図７】第２実施形態に係る原子発振器が備えるシールドの分解斜視図である。
【図８】第３実施形態に係る原子発振器が備えるシールドの分解斜視図である。
【図９】第４実施形態に係る原子発振器が備えるシールドの分解斜視図である。
【図１０】第５実施形態に係る原子発振器が備えるシールドの分解斜視図である。
【図１１】ＧＰＳ（Global Positioning System）衛星を利用した測位システム、すなわち、周波数信号生成システムの一例の概略構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の原子発振器および周波数信号生成システムを添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００１５】
図１は、第１実施形態に係る原子発振器を示す概略図である。
図１に示す原子発振器１は、アルカリ金属原子に対して特定の異なる波長の２つの共鳴光を同時に照射したときに当該２つの共鳴光がアルカリ金属原子に吸収されずに透過する現象が生じる量子干渉効果を利用した原子発振器である。この現象は、電磁有機透過現象（ＥＩＴ：Electromagnetically Induced Transparency）などとも呼ばれる。
【００１６】
この原子発振器１は、図１に示すように、発光素子モジュール１０と、原子セルユニット２０と、発光素子モジュール１０と原子セルユニット２０との間に設けられている光学系ユニット３０と、発光素子モジュール１０および原子セルユニット２０の作動を制御する制御回路５０と、を備える。以下、まず、原子発振器１の概略について説明する。
【００１７】
発光素子モジュール１０は、ペルチェ素子１０１と、発光素子１０２と、温度センサー１０３と、を備える。発光素子１０２は、周波数の異なる２種の光を含んでいる直線偏光の光ＬＬを出射する。また、温度センサー１０３は、発光素子１０２の温度を検出する。また、ペルチェ素子１０１は、発光素子１０２の温度を調節する、すなわち、発光素子１０２を加温または冷却する。
【００１８】
光学系ユニット３０は、減光フィルター３０１と、集光レンズ３０２と、１／４波長板３０３と、を備え、これらが光ＬＬの光軸ａに沿って並んでいる。減光フィルター３０１は、前述した発光素子１０２からの光ＬＬの強度を減少させる。また、集光レンズ３０２は、例えば光ＬＬを平行光に近づけるように光ＬＬの放射角度を調整する。また、１／４波長板３０３は、光ＬＬに含まれる周波数の異なる２種の光を直線偏光から円偏光、すなわち、右円偏光または左円偏光に変換する。
【００１９】
原子セルユニット２０は、原子セル２０１と、受光素子２０２と、ヒーター２０３と、温度センサー２０４と、コイル２０５と、温度制御素子２１２と、温度センサー２１３と、を備える。
【００２０】
原子セル２０１は、光ＬＬに対する透過性を有し、原子セル２０１内には、アルカリ金属原子が封入されている。アルカリ金属原子は、互いに異なる２つの基底準位と励起準位とからなる３準位系のエネルギー準位を有する。原子セル２０１には、発光素子１０２からの光ＬＬが減光フィルター３０１、集光レンズ３０２および１／４波長板３０３を介して入射する。そして、受光素子２０２は、原子セル２０１を通過した光ＬＬを受光し、その受光強度に応じた信号を出力する。
【００２１】
ヒーター２０３は、原子セル２０１内のアルカリ金属原子を加熱し、そのアルカリ金属原子の少なくとも一部を所望濃度のガス状態とする。また、温度センサー２０４は、原子セル２０１の温度を検出する。コイル２０５は、原子セル２０１内のアルカリ金属原子に所定方向の磁場を印加し、そのアルカリ金属原子のエネルギー準位をゼーマン分裂させる。このようにアルカリ金属原子のエネルギー準位がゼーマン分裂した状態において、前述したような円偏光の共鳴光対がアルカリ金属原子に照射されると、アルカリ金属原子がゼーマン分裂した複数の準位のうち、所望のエネルギー準位のアルカリ金属原子の数を他のエネルギー準位のアルカリ金属原子の数に対して相対的に多くすることができる。そのため、所望のＥＩＴ現象を発現する原子数が増大し、所望のＥＩＴ信号、すなわち、ＥＩＴ現象に伴って受光素子２０２の出力信号に現れる信号が大きくなり、その結果、原子発振器１の発振特性、特に短期周波数安定度を向上させることができる。
【００２２】
制御回路５０は、温度制御回路５０１と、光源制御回路５０２と、磁場制御回路５０３と、温度制御回路５０４と、を備える。温度制御回路５０１は、温度センサー２０４の検出結果に基づいて、原子セル２０１内が所望の温度となるように、ヒーター２０３への通電を制御する。また、磁場制御回路５０３は、コイル２０５が発生する磁場が一定となるように、コイル２０５への通電を制御する。また、温度制御回路５０４は、温度センサー１０３の検出結果に基づいて、発光素子１０２の温度が所望の温度となるように、ペルチェ素子１０１への通電を制御する。
【００２３】
光源制御回路５０２は、受光素子２０２の検出結果に基づいて、ＥＩＴ現象が生じるように、発光素子１０２からの光ＬＬに含まれる２種の光の周波数を制御する。ここで、これら２種の光が原子セル２０１内のアルカリ金属原子の２つの基底準位間のエネルギー差に相当する周波数差の共鳴光対となったとき、ＥＩＴ現象が生じる。また、光源制御回路５０２は、前述した２種の光の周波数の制御に同期して安定化するように発振周波数が制御される図示しない電圧制御型発振器（ＶＣＯ：Voltage controlled Oscillator）を備えており、この電圧制御型発振器の出力信号を原子発振器１の出力信号、すなわち、クロック信号として出力する。
【００２４】
以上、原子発振器１の概略について説明した。以下、図２ないし図６に基づいて、原子発振器１のより具体的な構成について説明する。
【００２５】
図２は、第１実施形態に係る原子発振器の断面側面図、すなわち、ＸＺ平面に沿った断面図である。図３は、第１実施形態に係る原子発振器の平面図、すなわち、ＸＺ平面に沿った断面図である。図４は、第１実施形態に係る原子発振器が備える原子セルユニットのＸＹ平面に沿った断面図である。図５は、第１実施形態に係る原子発振器が備える原子セルユニットのＸＺ平面に沿った断面図である。図６は、第１実施形態に係る原子発振器が備えるシールドの分解斜視図である。
【００２６】
以下では、説明の便宜上、互いに直交する３軸であるＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を用いて説明を行う。なお、本明細書において、Ｚ軸は、後述する支持部材４０の設置面４０１および設置面４０３に垂直な軸である。Ｘ軸は、発光素子モジュール１０から出射された光ＬＬに沿う軸である。言い換えると、Ｘ軸は、発光素子モジュール１０と原子セルユニット２０との配列方向に沿う軸である。Ｙ軸は、Ｘ軸およびＺ軸に垂直な軸である。また、Ｚ軸の＋方向は、Ｚ軸に沿って設置面４０１から発光素子モジュール１０へ向かう方向であり、Ｘ軸の＋方向は、Ｘ軸に沿って発光素子モジュール１０から原子セルユニット２０へ向かう方向である。本明細書においては左手系の座標系を採用するので、Ｙ軸の＋方向は、Ｚ軸の＋方向およびＸ軸の＋方向を基準として決定される。図においては、＋方向を矢印の指す方向として示している。
【００２７】
図２に示すように、原子発振器１は、発光素子モジュール１０と、原子セルユニット２０と、発光素子モジュール１０を保持している光学系ユニット３０と、原子セルユニット２０および光学系ユニット３０を一括して支持している支持部材４０と、発光素子モジュール１０および原子セルユニット２０に電気的に接続されている制御回路５０と、これらを収納しているパッケージ６０と、を備えている。
【００２８】
（発光素子モジュール）
発光素子モジュール１０は、ペルチェ素子１０１と、発光素子１０２と、温度センサー１０３と、これらを収納しているパッケージ１０４と、を有している。
【００２９】
パッケージ１０４は、図示しないが、互いに接合されているベースおよびリッドを有し、これらの間に、ペルチェ素子１０１、発光素子１０２および温度センサー１０３を収納している気密空間が形成されている。このようなパッケージ１０４内は、減圧（真空）状態であることが好ましい。これにより、パッケージ１０４の外部の温度変化がパッケージ１０４内の発光素子１０２や温度センサー１０３等に与える影響を低減し、パッケージ１０４内の発光素子１０２や温度センサー１０３等の温度変動を低減することができる。なお、パッケージ１０４内は、減圧状態でなくともよく、また、窒素、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガスが封入されていてもよい。
【００３０】
ここで、ベースは、例えば、絶縁性のセラミックス材料で構成されている。また、ベースの内表面には、ペルチェ素子１０１、発光素子１０２および温度センサー１０３に電気的に接続される複数の接続電極が設けられており、これらの接続電極は、それぞれ、ベースを貫通する貫通電極を介して、ベースの外表面に設けられた外部実装電極に電気的に接続されている。一方、リッドは、例えば、セラミックスと線膨張係数の近いコバールのような金属材料で構成されている。そして、リッドは、ベースに対して、例えば、シーム溶接等により接合されている。また、リッドには、発光素子１０２からの光ＬＬを透過する孔が設けられており、この孔は、ガラス材料等の光透過性の板状の部材により気密的に塞がれている。このようなパッケージ１０４のベースの内表面には、図示しないが、ペルチェ素子１０１が接着剤により固定されている。
【００３１】
ペルチェ素子１０１は、供給される電流の向きにより、発光素子１０２側が発熱側となる状態と、発光素子１０２側が吸熱側となる状態と、を切り換えることができる。そのため、環境温度の範囲が広くても、発光素子１０２等を所望の温度、すなわち、目標温度に温度調節することができる。これにより、温度変化による悪影響、例えば、光ＬＬの波長変動等をより低減することができる。ここで、発光素子１０２の目標温度は、発光素子１０２の特性に応じて決められるものであり、特に限定されないが、例えば、３０℃以上４０℃以下程度である。このようなペルチェ素子１０１上には、発光素子１０２および温度センサー１０３が設置されている。
【００３２】
発光素子１０２は、例えば、垂直共振器面発光レーザー、すなわち、ＶＣＳＥＬ等の半導体レーザーである。半導体レーザーは、直流バイアス電流に高周波信号を重畳して、すなわち、変調を掛けて用いることにより、波長の異なる２種の光を出射させることができる。本実施形態では、発光素子１０２から出射する光は、直線偏光している。また、温度センサー１０３は、例えば、サーミスタ、熱電対等の温度検出素子である。
【００３３】
（光学系ユニット）
図２に示すように、光学系ユニット３０は、減光フィルター３０１と、集光レンズ３０２と、１／４波長板３０３と、これらを保持しているホルダー３０４と、を有している。ここで、ホルダー３０４は、両端が開口した貫通孔３０５を有する。この貫通孔３０５は、光ＬＬの通過領域であり、貫通孔３０５内には、減光フィルター３０１、集光レンズ３０２および１／４波長板３０３がこの順で光ＬＬの光軸ａに沿って並んで配置されている。図３に示すように、減光フィルター３０１、集光レンズ３０２および１／４波長板３０３は、それぞれ、図示しない接着剤等によりホルダー３０４に対して固定されている。このようなホルダー３０４は、例えば、アルミニウム等の金属材料で構成されており、放熱性を有する。
【００３４】
前述したように、減光フィルター３０１は、前述した発光素子１０２からの光ＬＬの強度を減少させる機能を有する。減光フィルター３０１としては、特に限定されず、吸収型または反射型のいずれであってもよい。また、集光レンズ３０２は、光ＬＬの放射角度を例えば光ＬＬを平行光に近づけるよう調整する機能を有する。これにより、原子セル２０１内において光ＬＬのパワー密度が進行方向で変化するのを低減し、ＥＩＴ信号の線幅の拡がりを抑制することができる。その結果、原子発振器１の発振特性、特に短期周波数安定度を向上させることができる。また、１／４波長板３０３は、光ＬＬに含まれる周波数の異なる２種の光を直線偏光から円偏光、すなわち、右円偏光または左円偏光に変換する機能を有する。これにより、コイル２０５からの磁界との相互作用により、ＥＩＴ信号の強度を大きくすることができる。
【００３５】
なお、光学系ユニット３０は、発光素子１０２からの光ＬＬの強度等によっては、減光フィルター３０１を省略することができる。また、光学系ユニット３０は、減光フィルター３０１、集光レンズ３０２および１／４波長板３０３以外の光学素子を有していてもよい。また、減光フィルター３０１、集光レンズ３０２および１／４波長板３０３の配置順は、図示の順に限定されず、任意である。また、減光フィルター３０１、集光レンズ３０２および１／４波長板３０３のそれぞれの姿勢は、任意である。
【００３６】
（原子セルユニット）
原子セルユニット２０は、前述したように、原子セル２０１と、受光素子２０２と、ヒーター２０３と、温度センサー２０４と、コイル２０５と、を備える。また、これらの他に、原子セルユニット２０は、図４に示すように、原子セル２０１を保持している保持部材２０６と、保持部材２０６に固定されている伝熱部材２１０と、原子セル２０１、受光素子２０２、温度センサー２０４、コイル２０５、保持部材２０６および伝熱部材２１０を収納している第１シールド２０７と、第１シールド２０７を収納している第２シールド２０８と、第１シールド２０７と第２シールド２０８との間に配置されている複数のスペーサー２０９と、温度制御素子２１２と、温度センサー２１３と、を備える。
【００３７】
原子セル２０１内には、ガス状のルビジウム、セシウム、ナトリウム等のアルカリ金属が封入されている。また、原子セル２０１内には、必要に応じて、アルゴン、ネオン等の希ガス、窒素等の不活性ガスが緩衝ガスとしてアルカリ金属ガスとともに封入されていてもよい。
【００３８】
原子セル２０１は、２つの柱状の貫通孔を有する胴体部２０１ａと、その胴体部２０１ａに接合されている１対の窓部２０１ｂ、２０１ｃと、を有し、これらにより気密封止された内部空間Ｓを形成している。
【００３９】
本実施形態では、内部空間Ｓは、光ＬＬが通過する空間Ｓ１と、空間Ｓ１に連通し、図示しない固体または液体のアルカリ金属を収納している空間Ｓ２と、を有する。ここで、一方の窓部２０１ｂには、空間Ｓ１へ入射する光ＬＬが透過し、他方の窓部２０１ｃには、空間Ｓ１から出射した光ＬＬが透過する。なお、内部空間Ｓは、前述したような空間Ｓ１、Ｓ２を有する形態に限定されない。例えば、空間Ｓ２を省略した形態であってもよい。換言すると、空間Ｓ１と空間Ｓ２とを隔てる壁がなく、空間Ｓ２に相当する位置に固体または液体のアルカリ金属が配置されていてもよい。
【００４０】
各窓部２０１ｂ、２０１ｃの構成材料としては、光ＬＬに対する透過性を有していればよく、例えば、ガラス材料、水晶等が挙げられる。一方、胴体部２０１ａの構成材料としては、特に限定されず、金属材料、ガラス材料、シリコン材料、水晶等が挙げられるが、加工性や各窓部２０１ｂ、２０１ｃの接合の観点から、ガラス材料、シリコン材料を用いるのが好ましい。また、胴体部２０１ａと各窓部２０１ｂ、２０１ｃとの接合方法としては、これらの構成材料に応じて決められるものであり、特に限定されないが、例えば、直接接合法、陽極接合法、溶融接合法、オプティカル接合法等を用いることができる。
【００４１】
図４に示すように、保持部材２０６は、光ＬＬの通過領域を避けつつ原子セル２０１の外表面を覆うように設けられている２つのブロック２０６ａ、２０６ｂで構成されている。ここで、２つのブロック２０６ａ、２０６ｂは、それぞれ、熱伝導率が１０Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１以上であり、かつ、コイル２０５から原子セル２０１への磁界を阻害しない材料、例えば、アルミニウム等の非磁性の金属材料で構成されている。また、保持部材２０６には、原子セル２０１に入射する光ＬＬが通過する開口部２０６ｃと、原子セル２０１から出射した光ＬＬが通過する開口部２０６ｄと、が設けられている。なお、以下では、１０Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１以上であることを、「熱伝導性に優れた」「熱伝導性が良い」等と表現する場合がある。
【００４２】
ブロック２０６ａは、原子セル２０１の外表面の空間Ｓ１側の部分に熱的に接続されている。具体的には、ブロック２０６ａは、原子セル２０１の外表面の空間Ｓ１側の部分に対して、接触しているか、または、熱伝導性に優れた例えば金属等の部材を介して接続されている。そして、ブロック２０６ａは、第１シールド２０７を介してヒーター２０３に熱的に接続されている。これにより、ヒーター２０３からの熱により原子セル２０１、より具体的には空間Ｓ１を加熱することができる。また、このように、原子セル２０１とヒーター２０３との間にブロック２０６ａを介在させることで、原子セル２０１とヒーター２０３との間の距離を大きくし、ヒーター２０３への通電により生じた不要磁場が原子セル２０１内のアルカリ金属原子に悪影響を与えるのを抑制することができる。また、原子セル２０１にヒーターを接触させる構成に比べて、ヒーターの数を少なくすることができるという利点もある。
【００４３】
一方、ブロック２０６ｂは、原子セル２０１の外表面の空間Ｓ２側の部分に熱的に接続されている。具体的には、ブロック２０６ｂは、原子セル２０１の外表面の空間Ｓ２側の部分に対して、接触しているか、または、熱伝導性に優れた例えば金属等の部材を介して接続されている。そして、ブロック２０６ｂは、ブロック２０６ａに対して離間している。そのため、ブロック２０６ｂは、ブロック２０６ａに比べて、ヒーター２０３からの熱が伝わりにくくなっている。これにより、空間Ｓ２の温度を空間Ｓ１の温度よりも低くすることができる。そのため、空間Ｓ２に固体または液体のアルカリ金属を安定的に存在させることができる。
【００４４】
なお、ブロック２０６ａ、２０６ｂの形状は、空間Ｓ１への光ＬＬの通過を許容しつつヒーター２０３からの熱を空間Ｓ１に伝達することができればよく、図示の形状に限定されない。また、保持部材２０６は、ブロック２０６ａ、２０６ｂが一体化していてもよいし、ブロック２０６ａ、２０６ｂがそれぞれ複数の部材で構成されていてもよい。
【００４５】
このような保持部材２０６の外周には、中心軸が光ＬＬの光軸ａに沿うように巻回されたコイル２０５が配置されている。コイル２０５は、ソレノイド型のコイル、または、ヘルムホルツ型の１対のコイルである。このコイル２０５は、原子セル２０１内に光ＬＬの光軸ａに沿った方向、すなわち、平行な方向の磁場を発生させる。これにより、原子セル２０１内のアルカリ金属原子の縮退している異なるエネルギー準位間のギャップをゼーマン分裂により拡げて、分解能を向上させ、ＥＩＴ信号の線幅を小さくすることができる。なお、コイル２０５が発生する磁場は、直流磁場または交流磁場のいずれかの磁場であってもよいし、直流磁場と交流磁場とを重畳させた磁場であってもよい。
【００４６】
また、保持部材２０６の開口部２０６ｄ内には、受光素子２０２および温度センサー２０４が配置されている。受光素子２０２としては、原子セル２０１内を透過した光ＬＬ、すなわち、共鳴光対の強度を検出し得るものであれば、特に限定されないが、例えば、フォトダイオード等の受光素子である光検出器が挙げられる。温度センサー２０４としては、原子セル２０１またはヒーター２０３の温度を検出することができれば、特に限定されないが、例えば、サーミスタ、熱電対等の公知の各種温度センサーが挙げられる。
【００４７】
ここで、受光素子２０２および温度センサー２０４は、後述するフレキシブル配線基板５０８ｂ上に配置されている。このフレキシブル配線基板５０８ｂは、受光素子２０２および温度センサー２０４に電気的に接続されている配線５１０を有しており、保持部材２０６と伝熱部材２１０との間に挟まれることで、保持部材２０６に対して固定されている。これにより、受光素子２０２および温度センサー２０４を原子セル２０１に対して位置決めすることができる。
【００４８】
伝熱部材２１０は、熱伝導性を有し、保持部材２０６およびフレキシブル配線基板５０８ｂに対して熱的に接続されている。そして、伝熱部材２１０は、保持部材２０６を介してヒーター２０３とも熱的に接続されている。これにより、伝熱部材２１０が保持部材２０６からの熱をフレキシブル配線基板５０８ｂおよび受光素子２０２に伝導することができる。本実施形態では、図４および図５に示すように、伝熱部材２１０は、板状をなし、ＹＺ平面に沿って配置され、保持部材２０６のブロック２０６ａに対して、ネジ２１１を用いたネジ止めにより固定されている。
【００４９】
また、伝熱部材２１０は、図４および図５に示すように、保持部材２０６の開口部２０６ｄをできるだけ塞ぐように設けられている。これにより、伝熱部材２１０が保持部材２０６と一体的に熱を伝導することができる。また、伝熱部材２１０は、光軸ａ方向から見たとき、受光素子２０２および温度センサー２０４に重なっている。これにより、伝熱部材２１０からの熱が受光素子２０２および温度センサー２０４に伝導されやすくなる。
【００５０】
このような伝熱部材２１０の構成材料としては、熱伝導性に優れ、かつ、コイル２０５から原子セル２０１への磁界を阻害しない材料、例えば、銅、アルミニウム等の非磁性の金属材料、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ：carbon fiber reinforced plastic）、シリカ等の熱伝導性のフィラーを添加した樹脂材料等が挙げられる。
【００５１】
伝熱部材２１０の構成材料の熱伝導率は、１０Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１以上であることが好ましく、２０Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１以上であることがより好ましく、１００Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１以上であることがさらに好ましい。これにより、配線５１０の受光素子２０２近傍部分を伝熱部材２１０により好適に加熱することができる。これに対し、かかる熱伝導率が小さすぎると、伝熱部材２１０に温度勾配が生じやすくなる傾向を示す。
【００５２】
前述したような原子セル２０１、受光素子２０２、温度センサー２０４、コイル２０５、保持部材２０６および伝熱部材２１０は、図４に示すように、シールドとしての第１シールド２０７に収納されている。第１シールド２０７は、保持部材２０６を介して原子セル２０１を支持しており、これにより、保持部材２０６を介して原子セル２０１に熱的に接続されている。また、第１シールド２０７には、原子セル２０１の空間Ｓ１に入射する光ＬＬの通過を許容する開口部２０７ａが設けられている。また、第１シールド２０７は、前述した伝熱部材２１０に対して離間した状態で対向している部分２０７ｂを有する。なお、第１シールド２０７は、伝熱部材２１０に対して接触していてもよい。
【００５３】
ここで、第１シールド２０７の構成材料としては、熱伝導性に優れ、かつ、磁気シールド性を有する材料を用いることが好ましく、具体的には、鉄、コバール、パーマロイ、ステンレス鋼等の鉄系合金等を用いることが好ましい。第１シールド２０７が優れた熱伝導性を有することで、ヒーター２０３からの熱を効率的に保持部材２０６に伝導することができる。また、第１シールド２０７の温度分布の均一化を図ることができ、原子セル２０１周辺の温度勾配を低減することもできる。さらに、第１シールド２０７が磁気シールド性を有することで、外部磁場により第１シールド２０７内、特に原子セル２０１内の磁場が変動するのを低減することができる。
【００５４】
このような第１シールド２０７は、図４に示すように、第２シールド２０８に収納されている。第２シールド２０８は、複数のスペーサー２０９を介して第１シールド２０７を支持しており、これにより、第１シールド２０７に対して離間している。よって、第１シールド２０７と第２シールド２０８との間に隙間が形成され、当該隙間が断熱層として機能するため、第１シールド２０７と第２シールド２０８との間の熱の移動を低減することができる。ここで、各スペーサー２０９は、断熱性を有する材料、例えば、ポリイミド系樹脂、アクリル系樹脂等の樹脂材料で構成されていることが好ましい。これにより、スペーサー２０９を介した第１シールド２０７と第２シールド２０８との間の熱の移動を低減することができる。また、第２シールド２０８には、原子セル２０１の空間Ｓ１に入射する光ＬＬの通過を許容する開口部２０８ａが設けられている。
【００５５】
ここで、第２シールド２０８の構成材料としては、前述した第１シールド２０７と同様、熱伝導性に優れ、かつ、磁気シールド性を有する材料を用いることが好ましく、具体的には、鉄、コバール、パーマロイ、ステンレス鋼等の鉄系合金等を用いることが好ましい。これにより、外部磁場により第２シールド２０８内、特に原子セル２０１内の磁場が変動するのを低減することができる。
【００５６】
また、第２シールド２０８には、第１シールド２０７と熱的に接続されるヒーター２０３が設置されている。図示の構成では、ヒーター２０３は、第２シールド２０８に、第１シールド２０７と接触するように埋設されている。このヒーター２０３としては、原子セル２０１、より具体的には原子セル２０１内のアルカリ金属原子を加熱することができれば、特に限定されないが、例えば、発熱抵抗体を有する各種ヒーター、ペルチェ素子等が挙げられる。
【００５７】
また、第２シールド２０８の＋Ｚ軸側の外表面上には、温度制御素子２１２が設置されている。この温度制御素子２１２は、冷却および加熱を行って原子セル２０１の温度を制御する機能を有し、例えば、ペルチェ素子等で構成することができる。温度制御素子２１２は、ヒーター２０３よりも低い温度に原子セル２０１の温度を制御することが好ましい。温度制御素子２１２は、第２シールド２０８の温度を制御することで、第２シールド２０８の内部の温度を制御する。その結果、第２シールド２０８に収納された第１シールド２０７の温度が制御される。
【００５８】
また、図４に示すように、第１シールド２０７の内側で、かつ、ブロック２０６ｂの近傍には、温度センサー２１３が設置されている。この温度センサー２１３は、ブロック２０６ｂと熱的に接続されており、ブロック２０６ｂの温度を検出する。そして、この検出結果に基づいて、温度制御回路５０１が温度制御素子２１２の作動を制御する。温度センサー２１３としては、ブロック２０６ｂの温度を検出することができれば、特に限定されないが、例えば、サーミスタ、熱電対等の公知の各種温度センサーが挙げられる。
【００５９】
（支持部材）
ここで、図２に戻り、支持部材４０は、板状をなし、その一方の面上には、前述した原子セルユニット２０および光学系ユニット３０が載置されている。この支持部材４０は、光学系ユニット３０のホルダー３０４の下面の形状に沿った設置面４０１を有する。この設置面４０１には、段差部４０２が形成されている。この段差部４０２は、ホルダー３０４の下面の段差部と係合して、ホルダー３０４が原子セルユニット２０側、すなわち、図２中右側へ移動するのを規制する。同様に、支持部材４０は、原子セルユニット２０の第２シールド２０８の下面の形状に沿った設置面４０３を有する。この設置面４０３には、段差部４０４が形成されている。この段差部４０４は、第２シールド２０８の端面、すなわち、図２中左側の端面と係合して、第２シールド２０８が光学系ユニット３０側、すなわち、図２中左側へ移動するのを規制する。
【００６０】
このように、支持部材４０により原子セルユニット２０および光学系ユニット３０の相対的な位置関係を規定することができる。そして、発光素子モジュール１０がホルダー３０４に対して固定されているため、原子セルユニット２０および光学系ユニット３０に対する発光素子モジュール１０の相対的な位置関係も規定されることとなる。ここで、第２シールド２０８およびホルダー３０４は、それぞれ、図示しないネジ等の固定部材により、支持部材４０に対して固定されている。また、支持部材４０は、図示しないネジ等の固定部材により、パッケージ６０に対して固定されている。また、支持部材４０は、例えば、アルミニウム等の金属材料で構成されており、放熱性を有する。これにより、発光素子モジュール１０の放熱を効率的に行うことができる。
【００６１】
（制御回路）
図３に示すように、制御回路５０は、回路基板５０５と、回路基板５０５上に設けられている２つのコネクター５０６ａ、５０６ｂと、コネクター５０６ａと発光素子モジュール１０とを接続しているフレキシブル配線基板５０８ａと、コネクター５０６ｂと原子セルユニット２０とを接続しているフレキシブル配線基板５０８ｂと、回路基板５０５を貫通している複数のリードピン５０９と、を有する。
【００６２】
ここで、回路基板５０５には、図示しない電気回路が設けられ、この電気回路が前述した温度制御回路５０１、光源制御回路５０２、磁場制御回路５０３および温度制御回路５０４として機能する。また、回路基板５０５は、前述した支持部材４０が挿通されている貫通孔５０５１を有する。また、回路基板５０５は、複数のリードピン５０９を介してパッケージ６０に対して支持されている。複数のリードピン５０９は、それぞれ、パッケージ６０の内外を貫通しており、回路基板５０５に電気的に接続されている。
【００６３】
なお、回路基板５０５と発光素子モジュール１０とを電気的に接続する構成、および、回路基板５０５と原子セルユニット２０とを電気的に接続する構成は、図示のコネクター５０６ａ、５０６ｂおよびフレキシブル配線基板５０８ａ、５０８ｂに限定されず、それぞれ、他の公知のコネクターおよび配線であってもよい。
【００６４】
パッケージ６０は、前述した第１シールド２０７および第２シールド２０８と同様、コバール等の磁気シールド性を有する金属材料で構成されていることが好ましい。これにより、外部磁場が原子発振器１の特性に悪影響を与えるのを低減することができる。なお、パッケージ６０内は、減圧されていてもよいし、大気圧であってもよいが、気密空間であることが好ましい。
【００６５】
さて、前述したような、原子セル２０１、ブロック２０６ａおよびブロック２０６ｂを収容している第１シールド２０７は、図６に示すように、第１部材６Ａと第２部材６Ｂとを有し、これらの２つの部材が組み立てられた組立体で構成されている。そして、組み立てられた状態では、第１シールド２０７は、６面体の箱状をなす。なお、図６中では、熱的な接続を代表的に矢印で図示しており、図示した矢印以外の熱的な接続は省略している。
【００６６】
図６に示すように、組立状態における第１シールド２０７は、壁部６１、壁部６２、壁部６３、壁部６４、壁部６５および壁部６６を有する６面体である。
【００６７】
壁部６１は、第１シールド２０７の−Ｘ軸側に位置し、厚さ方向がＸ軸に沿った状態で配置される板状体である。また、壁部６１には、開口部２０７ａが形成されている。なお、図６では図示を省略しているが、図４に示すように、壁部６１は、ネジ２１４でブロック２０６ｂに固定されている。また、このため、ネジ２１４を介してブロック２０６ｂと壁部６１は、熱的に接続されている。
【００６８】
壁部６２は、＋Ｚ軸側に位置し、厚さ方向がＺ軸に沿った状態で配置される板状体である。また、壁部６２は、壁部６１〜６６のうち、最も温度制御素子２１２の近傍に配置されている。このため、壁部６２は、温度制御素子２１２と熱的に接続されている。
【００６９】
壁部６３は、＋Ｘ軸側に位置し、厚さ方向がＸ軸に沿った状態で配置される板状体である。壁部６４は、−Ｚ軸側に位置し、厚さ方向がＺ軸に沿った状態で配置される板状体である。なお、図６では図示を省略しているが、図５に示すように、壁部６４は、ネジ２１５でブロック２０６ａに固定されている。また、このため、ネジ２１５を介してブロック２０６ａと壁部６４は、熱的に接続されている。
【００７０】
壁部６５は、＋Ｙ軸側に位置し、厚さ方向がＹ軸に沿った状態で配置される板状体である。また、壁部６５は、ヒーター２０３と接触しており、壁部６５と熱的に接続されている。壁部６６は、−Ｙ軸側に位置し、厚さ方向がＹ軸に沿った状態で配置される板状体である。
【００７１】
このような第１シールド２０７は、組立状態では、壁部６１と壁部６３とが対向し、壁部６２と壁部６４とが対向し、壁部６５と壁部６６とが対向している。なお、得たい特性に応じて壁部６１〜壁部６６の厚さを適宜設定してもよい。
【００７２】
ここで、第１シールド２０７は、前述したように、第１部材６Ａと第２部材６Ｂとの２部材で構成されている。第１部材６Ａは、壁部６１および壁部６２が一体的に形成されたものであり、１つの部材を構成している。一方、第２部材６Ｂは、壁部６３、壁部６４、壁部６５および壁部６６が一体的に形成されたものであり、１つの部材を構成している。なお、一体的に形成とは、例えば、１枚の板材を折り曲げて各壁部を形成する構成や、各板部材を接合、特に、溶接した構成のことを言う。
【００７３】
第１部材６Ａおよび第２部材６Ｂを別体で構成することにより、第１シールド２０７は、第１部材６Ａおよび第２部材６Ｂの間、すなわち、境界部に、第１部材６Ａおよび第２部材６Ｂよりも熱抵抗が高い高熱抵抗部６Ｃを有する。
【００７４】
なお、高熱抵抗部６Ｃは、第１部材６Ａおよび第２部材６Ｂが一体的に形成されている場合、すなわち、第１部材６Ａおよび第２部材６Ｂが同じ構成材料でかつ同じ壁厚で連結されている場合に比べて、熱伝導性が低い部分のことを言う。具体的には、高熱抵抗部６Ｃは、例えば、第１部材６Ａおよび第２部材６Ｂの間に形成された間隙や、第１部材６Ａおよび第２部材６Ｂを接続する、第１部材６Ａおよび第２部材６Ｂの壁厚よりも薄い連結部や、第１部材６Ａおよび第２部材６Ｂの間に配置され、第１部材６Ａおよび第２部材６Ｂよりも熱伝導率が低い部材や充填物等であってもよい。また、これらのうち２つ以上の組み合わせであってもよい。
【００７５】
ここで、前述したように、第１シールド２０７の温度は、温度制御素子２１２によって制御されている。第１部材６Ａの壁部６２と原子セル２０１とは、壁部６２と一体的に形成されている壁部６１と、壁部６１とブロック２０６ｂとを固定するネジ２１４と、ブロック２０６ｂと、を介して熱的に接続されている。これにより、温度制御素子２１２が原子セル２０１の第１部材６Ａと熱的に接続された部分の温度調整を精度よく行うことができる。なお、壁部６２とブロック２０６ｂも熱伝導性に優れた接着剤等を介して熱的に接続されており、ネジ２１４を介さない経路で熱が伝達されてもよい。なお、温度制御素子２１２と第１部材６Ａとは、熱伝導性に優れた部材によって熱的に接続されていてもよい。例えば、第２シールド２０８と第１部材６Ａとを金属のネジや金属板等で接続してもよい。これにより、温度制御素子２１２が原子セル２０１の第１部材６Ａと熱的に接続された部分の温度制御を一層精度よく行うことができる。
【００７６】
一方で、第２部材６Ｂの壁部６５は、ヒーター２０３と熱的に接続されており、ヒーター２０３と原子セル２０１とは、壁部６５と一体的に形成されている壁部６４と、壁部６４とブロック２０６ａとを固定するネジ２１５と、ブロック２０６ａと、を介して熱的に接続されることとなる。これにより、ヒーター２０３が原子セル２０１の加熱を精度よく行うことができる。なお、壁部６５とブロック２０６ａも熱的に接続されており、また、壁部６３や壁部６６も熱伝導性に優れた接着剤等を介してブロック２０６ａと熱的に接続されており、ネジ２１５を介さない経路でヒーター２０３の熱が原子セル２０１に伝わってもよい。
【００７７】
なお、以下では、図４に示すように、原子セル２０１において、第１部材６Ａと熱的に接続された部分を第１部分２０１ｄと言い、第２部材６Ｂと熱的に接続された部分を第２部分２０１ｅと言う。なお、第１部分２０１ｄと第２部分２０１ｅとは、明確な境界を有していなくてもよい。
【００７８】
そして、前述したように、第１部材６Ａおよび第２部材６Ｂが別体で構成され、これらの間に高熱抵抗部６Ｃが形成されていることから、温度制御素子２１２から原子セル２０１の第１部分２０１ｄ間の熱の経路と、ヒーター２０３と原子セル２０１の第２部分２０１ｅとの間の熱の経路は、互いに独立している、すなわち、互いに影響を与え合うのが軽減された状態と言える。これにより、原子セル２０１の第１部分２０１ｄと、原子セル２０１の第２部分２０１ｅとをそれぞれ所望の温度に制御することができる。すなわち、原子セル２０１が所望の温度分布を有する状態とすることができる。その結果、原子発振器１の周波数安定性を高めることができる。
【００７９】
また、前述したように、原子セル２０１の第１部分２０１ｄと第１部材６Ａとの間には、これらを熱的に接続するとともに原子セル２０１を保持する第１保持部材としてのブロック２０６ｂが配置され、原子セル２０１の第２部分２０１ｅと第２部材６Ｂとの間には、これらを熱的に接続するとともに原子セル２０１を保持する第２保持部材としてのブロック２０６ａが配置されている。これにより、温度制御素子２１２によって第１部分２０１ｄをより効果的に温度制御することができるとともに、ヒーター２０３と第２部分２０１ｅとをより効果的に熱的に接続することができる。よって、原子セル２０１の所望の温度分布をさらに高い確度で実現することができる。
【００８０】
また、第１部分２０１ｄは、温度制御素子２１２によって冷却され、その内側に、液体または固体のアルカリ金属原子が収容されている。これにより、光ＬＬが通過する部分から遠ざけた位置に液体または固体のアルカリ金属原子を収容することができ、原子発振器１の周波数安定性を高めることができる。なお、第１部分２０１ｄの温度を高めることにより、液体または固体のアルカリ金属原子は、ガスとなる。
【００８１】
また、第１部材６Ａには、壁部６１、壁部６３および壁部６２の間に空間が形成されている。換言すれば、第１部材６Ａは、壁部６１および壁部６３の間で、かつ、壁部６２の＋Ｙ軸側および−Ｙ軸側に開口部を有し、第２部材６Ｂのヒーター２０３と接続されている部分である壁部６５は、この開口部に面している。これにより、組立状態の６面体において、壁部が重複して設置されるのを防止することができる。さらに、壁部６５と壁部６１とを別の部材とすることができ、原子セル２０１において所望の温度分布をより効果的に得ることができる。
【００８２】
また、前述したように、シールドである第１シールド２０７は、６面体で構成され、第１部材６Ａおよび第２部材６Ｂうちの少なくとも一方、本実施形態では、第２部材６Ｂが、第１シールド２０７が有する６面のうち、対向する２つの面と、前記２つの面を接続する面と、を含む。すなわち、第２部材６Ｂは、壁部６１〜壁部６６のうち、対向する２つの壁部６５および壁部６６と、これらを接続する壁部６４と、を有する。これにより、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸の少なくとも１軸に沿った磁場を、接続された３つの面を通過させることができるので、磁気シールド性を向上させることができる。
【００８３】
本実施形態では、壁部６４、壁部６５および壁部６６が一体的に形成されているため、Ｙ軸に沿った磁場を、壁部６５、壁部６４および壁部６６の順か、または、壁部６６、壁部６４および壁部６５の順に通過させることができる。これにより、特にＹ軸の磁場に対して優れた磁気シールド性を発揮することができる。
【００８４】
なお、本実施形態では、第２部材６Ｂが、第１シールド２０７が有する６面のうち、対向する２つの面と、前記２つの面を接続する面と、を含む構成であったが、本発明ではこれに限定されず、例えば、第１部材６Ａが上記構成であってもよく、後述する第２実施形態、第３実施形態および第４実施形態のように、第１部材６Ａおよび第２部材６Ｂの双方が上記構成であってもよい。
【００８５】
以上説明したように、原子発振器１は、アルカリ金属原子が収容されている原子セル２０１と、アルカリ金属原子を励起する光ＬＬを原子セル２０１に向って出射する発光素子１０２と、磁気シールド性を有する第１部材６Ａおよび第２部材６Ｂと、第１部材６Ａおよび第２部材６Ｂの間に設けられ、第１部材６Ａおよび第２部材６Ｂよりも熱抵抗が高い高熱抵抗部６Ｃと、を有し、原子セル２０１を収容するシールドとしての第１シールド２０７と、第１部材６Ａの温度を制御する温度制御素子２１２と、第２部材６Ｂに熱的に接続されたヒーター２０３と、原子セル２０１を透過した光を受光する受光素子２０２と、を含む。これにより、温度制御素子２１２から原子セル２０１の第１部分２０１ｄ間の熱の経路と、ヒーター２０３から原子セル２０１の第２部分２０１ｅ間の熱の経路とを互いに独立させることができる。よって、第１部分２０１ｄと、第２部分２０１ｅとをそれぞれ所望の温度に制御することができる。すなわち、原子セル２０１が所望の温度分布を有する状態とすることができる。その結果、原子発振器１の周波数安定性を高めることができる。
【００８６】
＜第２実施形態＞
図７は、第２実施形態に係る原子発振器が備えるシールドの分解斜視図である。
【００８７】
本実施形態は、シールドの構成が異なること以外は、前述した第１実施形態と同様である。なお、以下の説明では、本実施形態に関し、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関しては同様の符号を付してその説明を省略する。
【００８８】
図７に示すように、第１シールド２０７は、第１部材６Ａと第２部材６Ｂとを有し、これらが組み立てられた組立体である。本実施形態では、第１部材６Ａは、壁部６１と、壁部６２と、壁部６３とを有し、これらが一体的に形成されたものである。一方、第２部材６Ｂは、壁部６４と、壁部６５と、壁部６６とを有し、これらが一体的に形成されたものである。
【００８９】
このような第２実施形態によっても、温度制御素子２１２から原子セル２０１の第１部分２０１ｄ間の熱の経路と、ヒーター２０３から原子セル２０１の第２部分２０１ｅ間の熱の経路とを互いに独立させることができる。よって、原子セル２０１が所望の温度分布を有する状態とすることができる。その結果、原子発振器１の周波数安定性を高めることができる。
【００９０】
また、本実施形態では、壁部６１、壁部６２および壁部６３が一体的に形成されているため、Ｘ軸に沿った磁場を、壁部６１、壁部６２および壁部６３の順か、または、壁部６３、壁部６２および壁部６１の順に通過させることができる。同様に、壁部６４と、壁部６５と、壁部６６が連続しているため、Ｙ軸にそった磁場を、壁部６４、壁部６５、および、壁部６６を通過させることができる。これにより、Ｘ軸に沿った磁場およびＹ軸に沿った磁場に対して優れた磁気シールド性を発揮することができる。
【００９１】
＜第３実施形態＞
図８は、第３実施形態に係る原子発振器が備えるシールドの分解斜視図である。
【００９２】
本実施形態は、シールドの構成が異なること以外は、前述した第１実施形態と同様である。なお、以下の説明では、本実施形態に関し、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。
【００９３】
図８に示すように、第１シールド２０７は、第１部材６Ａと第２部材６Ｂとを有し、これらが組み立てられた組立体である。本実施形態では、第１部材６Ａは、壁部６１と、壁部６２と、壁部６４とを有し、これらが一体的に形成されたものである。一方、第２部材６Ｂは、壁部６３と、壁部６５と、壁部６６とを有し、これらが一体的に形成されたものである。
【００９４】
このような第３実施形態によっても、温度制御素子２１２から原子セル２０１の第１部分２０１ｄ間の熱の経路と、ヒーター２０３から原子セル２０１の第２部分２０１ｅ間の熱の経路とを互いに独立させることができる。よって、原子セル２０１が所望の温度分布を有する状態とすることができる。その結果、原子発振器１の周波数安定性を高めることができる。特に、本実施形態によれば、第１部材６ＡがＺ軸に対向する壁部６２および壁部６４を有する構成であるため、第１部材６Ａおよび第２部材６Ｂを例えば原子セル２０１等を内側に収納して組み立てる際、第１部材６Ａにおいて、壁部６２および壁部６４の間で原子セル２０１等を挟持するように位置決めを行い、その後、第１部材６Ａおよび第２部材６Ｂを組み立てることができる。すなわち、収納する原子セル２０１等の位置決めと、第１部材６Ａおよび第２部材６Ｂの組み立てとを、順次行うことができる。よって、原子セル２０１の組み立て精度をさらに高めることができる。
【００９５】
また、本実施形態では、壁部６１、壁部６２および壁部６４が一体的に形成されているため、Ｚ軸に沿った磁場を、壁部６２、壁部６１および壁部６４の順か、または、壁部６４、壁部６２および壁部６１の順に通過させることができる。これにより、特にＺ軸の磁場に対して優れた磁気シールド性を発揮することができる。
【００９６】
＜第４実施形態＞
図９は、第４実施形態に係る原子発振器が備えるシールドの分解斜視図である。
【００９７】
本実施形態は、シールドの構成が異なること以外は、前述した第１実施形態と同様である。なお、以下の説明では、本実施形態に関し、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。
【００９８】
図９に示すように、第１シールド２０７は、第１部材６Ａと第２部材６Ｂとを有し、これらが組み立てられた組立体である。本実施形態では、第１部材６Ａは、壁部６１と、壁部６２と、壁部６３とを有し、これらが一体的に形成されたものである。一方、第２部材６Ｂは、壁部６４と、壁部６５と、壁部６６とを有し、これらが一体的に形成されたものである。
【００９９】
第１部材６Ａは、壁部６２の＋Ｙ軸側の縁部に折り返えされたように形成された壁部６２１を有している。各壁部６２１は、Ｘ軸に沿って延在している。
【０１００】
また、組立状態では、各壁部６２１が壁部６５と重なるように配置される。
【０１０１】
このような第４実施形態によっても、温度制御素子２１２から原子セル２０１の第１部分２０１ｄ間の熱の経路と、ヒーター２０３から原子セル２０１の第２部分２０１ｅ間の熱の経路とを互いに独立させることができる。よって、原子セル２０１が所望の温度分布を有する状態とすることができる。その結果、原子発振器１の周波数安定性を高めることができる。
【０１０２】
さらに、壁部６２１により、Ｚ軸の磁場に対して特に優れた磁気シールド性を発揮することができる。
【０１０３】
壁部６２１のＺ軸の長さは、壁部６５または壁部６６のＺ軸の長さの１／３以下であるのが好ましく、１／５以下であるのがより好ましい。これにより、優れた磁気シールド性を確保しつつ、第１部材６Ａと第２部材６Ｂとの間での熱の伝達を抑制することができる。
【０１０４】
＜第５実施形態＞
図１０は、第５実施形態に係る原子発振器が備えるシールドの分解斜視図である。
【０１０５】
本実施形態は、シールドの構成が異なること以外は、前述した第１実施形態と同様である。なお、以下の説明では、本実施形態に関し、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。
【０１０６】
図１０に示すように、第１シールド２０７は、第１部材６Ａと第２部材６Ｂとを有し、これらが組み立てられた組立体である。本実施形態では、第１部材６Ａは、壁部６１と、壁部６２とを有し、これらが一体的に形成されたものである。一方、第２部材６Ｂは、壁部６３と、壁部６４と、壁部６５と、壁部６６とを有し、これらが一体的に形成されたものである。
【０１０７】
また、第１部材６Ａは、伝熱層６Ｄで覆われている。伝熱層６Ｄは、第１層６７と第２層６８とを有し、これらが接続された形状をなしている。第１層６７は、第１部材６Ａの壁部６１の−Ｘ軸側の面を覆っている。また、第１層６７は、壁部６１の開口部２０７ａと対応する位置に開口部６７１を有している。また、第２層６８は、第１部材６Ａの壁部６２の＋Ｚ側の面を覆っている。このような伝熱層６Ｄは、例えば、アルミニウム等、第１シールド２０７の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する材料で構成されている。
【０１０８】
このような本実施形態では、第１部材６Ａと温度制御素子２１２との熱経路の途中に熱伝導を高める伝熱層６Ｄが配置されることとなり、第１部材６Ａと温度制御素子２１２との間での熱の伝達をより効率よく、かつ、迅速に行うことができる。
【０１０９】
なお、本実施形態では、伝熱層６Ｄは、第１部材６Ａの壁部６１および壁部６２の双方を覆う構成であったが、これに限定されず、壁部６１および壁部６２の一方のみを覆う構成であってもよい。また、伝熱層６Ｄは、第１部材６Ａを覆う構成であったが、これに限定されず、第２部材６Ｂのみ、または、第１部材６Ａおよび第２部材６Ｂの双方を覆う構成であってもよい。このように、第１部材６Ａおよび第２部材６Ｂのうちの少なくとも一方は、伝熱層６Ｄで覆われていることにより、第１部材６Ａと温度制御素子２１２との間での熱の伝達、または、ヒーター２０３から第２部材６Ｂへの熱伝導を高めることができる。
【０１１０】
なお、図１０では図示はしていないが、ネジ２１４で壁部６１をブロック２０６ｂに固定するに際し、伝熱層６Ｄごとネジ止めするのが好ましい。この場合、壁部６１に形成されたネジ穴に伝熱層６Ｄを埋設するようにネジ止めを行うのが好ましい。これにより、ネジ２１４と壁部６１との間での熱の伝達がさらに効率よく行われる。
【０１１１】
＜原子発振器適用例＞
以上説明したような原子発振器１は、各種の周波数信号生成システムに組み込むことができる。以下、そのような周波数信号生成システムの実施形態について説明する。
【０１１２】
図１１は、ＧＰＳ（Global Positioning System）衛星を利用した測位システム、すなわち、周波数信号生成システムの一例の概略構成を示す図である。
【０１１３】
図１１に示す測位システム１１００は、基地局装置１３００と、ＧＰＳ受信装置１４００とで構成されている。ここで、原子発振器１を搭載した電子機器を周波数信号生成システムと呼ぶこともできるし、原子発振器１を搭載した電子機器を含む複数の電子機器からなる各種システムを周波数信号生成システムと呼ぶこともできる。
【０１１４】
ＧＰＳ衛星１２００は、測位用情報を含む衛星信号（ＧＰＳ信号）を送信する。
基地局装置１３００は、例えば電子基準点としてのＧＰＳ連続観測局に設置されたアンテナ１３０１を介してＧＰＳ衛星１２００からの衛星信号を受信する受信装置１３０２と、受信した衛星信号から受信装置１３０２が取得した測位情報をアンテナ１３０３を介して送信する送信装置１３０４とを備える。
【０１１５】
ここで、受信装置１３０２は、その基準周波数発振源である原子発振器１と、原子発振器１からの周波数信号を処理する処理部１３０２ａと、を備える。また、受信装置１３０２で受信された測位情報は、リアルタイムで送信装置１３０４により送信される。
【０１１６】
このように、周波数信号生成システムである受信装置１３０２は、原子発振器１を含む。このような受信装置１３０２によれば、原子発振器１の原子セル２０１周辺の温度勾配を低減することで、受信装置１３０２の特性を向上させることができる。また、上述した受信装置１３０２を含むことで、周波数信号生成システムの別の一例である測位システム１１００の特性を向上させることができる。
【０１１７】
ＧＰＳ受信装置１４００は、ＧＰＳ衛星１２００からの測位情報をアンテナ１４０１を介して受信する衛星受信部１４０２と、基地局装置１３００からの測位情報をアンテナ１４０３を介して受信する基地局受信部１４０４とを備える。
【０１１８】
以上のように、周波数信号生成システムの一例としての測位システム１１００の受信装置１３０２は、原子発振器１と、原子発振器１からの周波数信号を処理する処理部１３０２ａと、を備えている。
【０１１９】
また、原子発振器１は、アルカリ金属原子が収容されている原子セル２０１と、アルカリ金属原子を励起する光ＬＬを原子セル２０１に向って出射する発光素子１０２と、磁気シールド性を有する第１部材６Ａおよび第２部材６Ｂと、第１部材６Ａおよび第２部材６Ｂの間に設けられ、第１部材６Ａおよび第２部材６Ｂよりも熱抵抗が高い高熱抵抗部６Ｃと、を有し、原子セル２０１を収容するシールドとしての第１シールド２０７と、第１部材６Ａの温度を制御する温度制御素子２１２と、第２部材６Ｂに熱的に接続されたヒーター２０３と、原子セル２０１を透過した光を受光する受光素子２０２と、を含む。
【０１２０】
このような発明によれば、前述した原子発振器１の利点を生かし、測位システム１１００および受信装置１３０２の特性を向上させることができる。
【０１２１】
なお、周波数信号生成システムは、前述したものに限定されず、原子発振器１と、原子発振器１からの周波数信号を処理する処理部とを含むシステムであればよい。例えば、スマートフォン、タブレット端末、時計、携帯電話機、ディジタルスチルカメラ、インクジェット式吐出装置（例えばインクジェットプリンター）、パーソナルコンピューター（モバイル型パーソナルコンピューター、ラップトップ型パーソナルコンピューター）、テレビ、ビデオカメラ、ビデオテープレコーダー、カーナビゲーション装置、ページャー、電子手帳（通信機能付も含む）、電子辞書、電卓、電子ゲーム機器、ワードプロセッサー、ワークステーション、テレビ電話、防犯用テレビモニター、電子双眼鏡、ＰＯＳ（Point of Sales）端末、医療機器（例えば電子体温計、血圧計、血糖計、心電図計測装置、超音波診断装置、電子内視鏡）、魚群探知機、各種測定機器、計器類（例えば、車両、航空機、船舶の計器類）、フライトシミュレーター、地上デジタル放送、携帯電話基地局等に適用することができる。また、複数の電子機器等から構成される周波数信号生成システムは、原子発振器１からの信号を処理して信号を生成するシステムであればよく、前述したものに限定されず、例えば、クロック伝送システム等であってもよい。
【０１２２】
以上、本発明の原子発振器および周波数信号生成システムを図示の実施形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、原子発振器および周波数信号生成システムを構成する各部は、同様の機能を発揮し得る任意の構成のものと置換することができる。また、任意の構成物が付加されていてもよい。
【０１２３】
また、前述した実施形態では、量子干渉効果を利用した原子発振器に本発明を適用した場合を例に説明したが、本発明は、これに限定されず、二重共鳴現象を利用した原子発振器にも適用可能であり、この場合、光源としては、半導体レーザーに限定されず、例えば、発光ダイオード、アルカリ金属を封入したランプ等を用いることができる。
【符号の説明】
【０１２４】
１…原子発振器、６Ａ…第１部材、６Ｂ…第２部材、６Ｃ…高熱抵抗部、６Ｄ…伝熱層、６１…壁部、６２…壁部、６２１…壁部、６３…壁部、６４…壁部、６５…壁部、６６…壁部、６７…第１層、６７１…開口部、６８…第２層、１０…発光素子モジュール、１０１…ペルチェ素子、１０２…発光素子、１０３…温度センサー、１０４…パッケージ、２０…原子セルユニット、２０１…原子セル、２０１ａ…胴体部、２０１ｂ…窓部、２０１ｃ…窓部、２０１ｄ…第１部分、２０１ｅ…第２部分、２０２…受光素子、２０３…ヒーター、２０４…温度センサー、２０５…コイル、２０６…保持部材、２０６ａ…ブロック、２０６ｂ…ブロック、２０６ｃ…開口部、２０６ｄ…開口部、２０７…第１シールド、２０７ａ…開口部、２０７ｂ…部分、２０８…第２シールド、２０８ａ…開口部、２０９…スペーサー、２１０…伝熱部材、２１１…ネジ、２１２…温度制御素子、２１３…温度センサー、２１４…ネジ、２１５…ネジ、３０…光学系ユニット、３０１…減光フィルター、３０２…集光レンズ、３０３…１／４波長板、３０４…ホルダー、３０５…貫通孔、４０…支持部材、４０１…設置面、４０２…段差部、４０３…設置面、４０４…段差部、５０…制御回路、５０１…温度制御回路、５０２…光源制御回路、５０３…磁場制御回路、５０４…温度制御回路、５０５…回路基板、５０５１…貫通孔、５０６ａ…コネクター、５０６ｂ…コネクター、５０８ａ…フレキシブル配線基板、５０８ｂ…フレキシブル配線基板、５０９…リードピン、５１０…配線、６０…パッケージ、１１００…測位システム、１２００…ＧＰＳ衛星、１３００…基地局装置、１３０１…アンテナ、１３０２…受信装置、１３０２ａ…処理部、１３０３…アンテナ、１３０４…送信装置、１４００…ＧＰＳ受信装置、１４０１…アンテナ、１４０２…衛星受信部、１４０３…アンテナ、１４０４…地局受信部、ＬＬ…光、Ｓ…内部空間、Ｓ１…空間、Ｓ２…空間、ａ…光軸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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