(57)【要約】【課題】構造がより簡単で、アルカリ金属原子に対する温度制御を容易に行うことができる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】光を発する発光素子と、前記発光素子からの光が入射する第１面と、前記第１面に入射した光が出射する第２面とを有し、気体のアルカリ金属原子が収容された原子セルと、前記原子セルが収容され、磁気シールド性を有するシールドと、前記シールドの開口を経由して前記原子セルの一部に接し、前記原子セルよりも熱伝導率が大きい伝熱部材と、前記伝熱部材に接し、前記原子セルの温度を制御する温度制御素子と、前記第２面から出射した光を受ける受光素子と、を備える、原子発振器。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を発する発光素子と、
前記発光素子からの光が入射する第１面と、前記第１面に入射した光が出射する第２面とを有し、気体のアルカリ金属原子が収容された原子セルと、
前記原子セルが収容され、磁気シールド性を有するシールドと、
前記シールドの開口を経由して前記原子セルの一部に接し、前記原子セルよりも熱伝導率が大きい伝熱部材と、
前記伝熱部材に接し、前記原子セルの温度を制御する温度制御素子と、
前記第２面から出射した光を受ける受光素子と、を備える、原子発振器。
【請求項２】
前記原子セルと前記シールドとの間に配置され、前記原子セルよりも熱伝導率が小さい断熱層を備える、請求項１に記載の原子発振器。
【請求項３】
前記伝熱部材は、前記断熱層を貫通している、請求項２に記載の原子発振器。
【請求項４】
前記原子セルの外側に配置され、螺旋状に巻回されたワイヤーで構成され、通電により磁場を発生させるコイルを備える、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】
前記コイルは、前記通電により発熱することによって前記原子セルを加熱する、請求項４に記載の原子発振器。
【請求項６】
前記原子セルを加熱するヒーターを備える、請求項４に記載の原子発振器。
【請求項７】
前記コイルは、前記原子セルを透過する光の光軸方向において隣り合う前記ワイヤーの部分同士の間に間隙が形成された疎巻き部を有し、
前記伝熱部材は、前記間隙を経由して前記原子セルの一部に接している、請求項４ないし６のいずれか１項に記載の原子発振器。
【請求項８】
前記伝熱部材は、前記原子セルを透過する光の光軸方向における、前記コイルの開口を経由して前記原子セルに接している、請求項４ないし６のいずれか１項に記載の原子発振器。
【請求項９】
前記原子セルには、固体または液体のアルカリ金属原子が収容されており、
前記固体または液体のアルカリ金属原子は、前記原子セルの中で前記伝熱部材側に偏在している、請求項１ないし８のいずれか１項に記載の原子発振器。
【請求項１０】
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、
光を発する発光素子と、
前記発光素子からの光が入射する第１面と、前記第１面に入射した光が出射する第２面とを有し、気体のアルカリ金属原子が収容された原子セルと、
前記原子セルが収容され、磁気シールド性を有するシールドと、
前記シールドの開口を経由して、前記原子セルの一部に接し、前記原子セルよりも熱伝導率が大きい伝熱部材と、
前記伝熱部材に接し、前記原子セルの温度を制御する温度制御素子と、
前記第２面から出射した光を受ける受光素子と、を備える、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。
【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に記載の光周波数基準セル装置は、原子発振器に利用可能な装置であり、第１のセル部と、第１のセル部から突出した第２のセル部と、第２のセル部を除く全体が収まる保温筒と、を有し、蒸気状態のアルカリ金属原子が第１のセル部と第２のセル部との間を自由に行き来できるようになっている。また、特許文献１に記載の光周波数基準セル装置は、第１のセル部を覆い、第１のセル部の温度を制御するための第１の温度制御手段と、第２のセル部を覆い、第２のセル部の温度を制御するための第２の温度制御手段と、を有している。第２のセル部は第１のセル部より低温下に置かれているため蒸気状態であった金属原子の析出は第２のセル部で先に始まり、第１のセル部両端面への金属膜の付着を防ぐことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−２８１８８３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に記載の光周波数基準セル装置は、第２のセル部が第１のセル部から突出している分、セルの構造が複雑となっている。セルの構造は簡単であることが品質管理上好ましい。そこで、セルの構造がより簡単であっても、セルの一部分の温度を他の部分と異なる温度に制御することができる原子発振器が求められている。
【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、光を発する発光素子と、
前記発光素子からの光が入射する第１面と、前記第１面に入射した光が出射する第２面とを有し、気体のアルカリ金属原子が収容された原子セルと、
前記原子セルが収容され、磁気シールド性を有するシールドと、
前記シールドの開口を経由して前記原子セルの一部に接し、前記原子セルよりも熱伝導率が大きい伝熱部材と、
前記伝熱部材に接し、前記原子セルの温度を制御する温度制御素子と、
前記第２面から出射した光を受ける受光素子と、を備える。
【０００７】
本適用例に係る原子発振器では、前記原子セルと前記シールドとの間に配置され、前記原子セルよりも熱伝導率が小さい断熱層を備えることが好ましい。
【０００８】
本適用例に係る原子発振器では、前記伝熱部材は、前記断熱層を貫通し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、前記原子セルの外側に配置され、螺旋状に巻回されたワイヤーで構成され、通電により磁場を発生させるコイルを備えることが好ましい。
【００１０】
本適用例に係る原子発振器では、前記コイルは、前記通電により発熱することによって前記原子セルを加熱することが好ましい。
【００１１】
本適用例に係る原子発振器では、前記原子セルを加熱するヒーターを備えることが好ましい。
【００１２】
本適用例に係る原子発振器では、前記コイルは、前記原子セルを透過する光の光軸方向において隣り合う前記ワイヤーの部分同士の間に間隙が形成された疎巻き部を有し、
前記伝熱部材は、前記間隙を経由して前記原子セルの一部に接していることが好ましい。
【００１３】
本適用例に係る原子発振器では、前記伝熱部材は、前記原子セルを透過する光の光軸方向における、前記コイルの開口を経由して前記原子セルに接していることが好ましい。
【００１４】
本適用例に係る原子発振器では、前記原子セルには、固体または液体のアルカリ金属原子が収容されており、
前記固体または液体のアルカリ金属原子は、前記原子セルの中で前記伝熱部材側に偏在していることが好ましい。
【００１５】
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、
光を発する発光素子と、
前記発光素子からの光が入射する第１面と、前記第１面に入射した光が出射する第２面とを有し、気体のアルカリ金属原子が収容された原子セルと、
前記原子セルが収容され、磁気シールド性を有するシールドと、
前記シールドの開口を経由して、前記原子セルの一部に接し、前記原子セルよりも熱伝導率が大きい伝熱部材と、
前記伝熱部材に接し、前記原子セルの温度を制御する温度制御素子と、
前記第２面から出射した光を受ける受光素子と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】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２】図２は、第１実施形態に係る原子発振器の主要部の断面図である。
【図３】図３は、第２実施形態に係る原子発振器の主要部の断面図である。
【図４】図４は、第３実施形態に係る原子発振器の主要部の断面図である。
【図５】図５は、第４実施形態に係る原子発振器の主要部の断面図である。
【図６】図６は、第５実施形態に係る原子発振器の主要部の断面図である。
【図７】図７は、第６実施形態に係る原子発振器の主要部の断面図である。
【図８】図８は、第７実施形態に係る原子発振器の主要部の断面図である。
【図９】図９は、ＧＰＳ（Global Positioning System）衛星を利用した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】
【００１７】
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好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。なお、以下では、説明の便宜上、図２〜図６に示すように、互いに直交する３軸をＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸とする。また、一例として、Ｘ軸が後述する光軸ａに平行であるものとする。また、各軸の矢印が指す方向を「正方向」、その反対方向を「負方向」と言う。一例として、Ｘ軸正方向を光ＬＬの進行方向とする。
【００１８】
＜第１実施形態＞
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２は、第１実施形態に係る原子発振器の主要部の断面図である。
【００１９】
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、量子干渉効果によって当該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ことを利用した原子発振器である。なお、この量子干渉効果による現象は、ＣＰＴ（Coherent Population Trapping）現象または電磁誘起透明化（ＥＩＴ：Electromagnetically Induced Transparency）現象と言う。
【００２０】
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。
【００２１】
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。発光素子１０２としては、光ＬＬを出射するものであれば特に限定されず、例えば、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）等の半導体レーザー等を用いることができる。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を加熱または冷却する。
【００２２】
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等のように、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。
【００２３】
原子セルユニット２０は、原子セル３と、受光素子２０２と、ペルチェ素子２１２と、温度センサー２０４と、コイル４と、を備える。
【００２４】
原子セル３は、光ＬＬに対する透過性を有し、原子セル３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３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３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。
【００２５】
ペルチェ素子２１２は、原子セル３の一部の温度を制御する温度制御素子である。ペルチェ素子２１２は、供給される電流の向きに応じて加熱または冷却機能を発揮することができる。これにより、原子セル３の一部を所望の温度に調節することができる。
また、温度センサー２０４は、伝熱部材７の温度を検出する。
【００２６】
コイル４は、原子セル３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。
【００２７】
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３内が所望の温度となるように、ペルチェ素子２１２への通電を制御する。また、磁場制御回路５０３は、コイル４が発生する磁場が一定となるように、コイル４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。
【００２８】
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３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電圧制御型水晶発振器（図示せず）を備えており、この電圧制御型発振器（ＶＣＯ：Voltage controlled Oscillator）の出力信号を原子発振器１の出力信号（クロック信号）として出力する。
【００２９】
以上、原子発振器１の概略について説明した。以下、図２を参照して、原子発振器１のより具体的な構成について説明する。
【００３０】
前述したように、原子セルユニット２０は、原子セル３と、受光素子２０２と、ペルチェ素子２１２と、温度センサー２０４と、コイル４と、を備える。また、これらの他に、原子セルユニット２０は、図２に示すように、コイル４を支持する支持部材５と、原子セル３、コイル４および支持部材５を収容する第１シールド部材６と、原子セル３とペルチェ素子２１２とに接する伝熱部材７と、を備える。また、原子発振器１は、原子セルユニット２０、発光素子モジュール１０および光学系ユニット３０を収容する第２シールド部材８を備える。
【００３１】
原子セル３は、気体のアルカリ金属原子を収容するとともに、固体または液体のアルカリ金属原子（以下「補充用金属ＭＲ」と言う）を収容している。なお、アルカリ金属としては、特に限定されず、例えば、ルビジウム、セシウム、ナトリウム等とすることができる。また、原子セル３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。
【００３２】
原子セル３は、Ｘ軸と平行な軸を中心軸とする筒状の胴体部３３と、胴体部３３のＸ軸方向負側に接合された板状の窓部３４と、胴体部３３のＸ軸方向正側に接合された板状の窓部３５と、を有し、これらで囲まれた内部空間Ｓが形成されている。発光素子１０２から発せられた光ＬＬは、窓部３４、内部空間Ｓ、窓部３５を順に透過する。このとき、光ＬＬは、内部空間Ｓ内でアルカリ金属原子を励起することができる。その後、光ＬＬは、受光素子２０２に至る。なお、内部空間Ｓの形状としては、特に限定されないが、例えば、直方体、立方体、円柱、球等とすることができる。また、原子セル３の窓部３４、３５のうち一方は、胴体部３３と一体であってもよい。
【００３３】
内部空間Ｓには、補充用金属ＭＲが収容されている。補充用金属ＭＲは、内部空間Ｓ内の気体のアルカリ金属原子が不足したとき、気体となって光ＬＬによって励起される。また、補充用金属ＭＲは、内部空間Ｓ内で固体または液体の状態となっており、この状態で胴体部３３や窓部３５の光ＬＬの主な経路とは異なる位置に付着していることが好ましい。これにより、例えば、補充用金属ＭＲが内部空間Ｓ内で移動して、光ＬＬに干渉することを低減することができる。
【００３４】
なお、原子セル３は、仕切り部（図示せず）によって内部空間Ｓが２つの空間に仕切られていてもよい。この場合、２つの空間は、互いに容積が異なり、容積が小さい方の空間に補充用金属ＭＲを配置することができる。
【００３５】
このような原子セル３は、内部空間Ｓを構成する面とは反対側の面、すなわち、原子セル３の外面として、３つの面を有している。１つ目の面は、窓部３４の外面であり、発光素子１０２からの光ＬＬが入射する入射面となる第１面３１１である。２つ目の面は、窓部３５の外面であり、第１面３１１に入射して、内部空間Ｓを透過した光ＬＬが出射する出射面となる第２面３１２である。３つ目の面は、胴体部３３の外周面であり、第１面３１１と第２面３１２とを接続する第３面３１３である。なお、胴体部３３の外形が角柱等であり、複数の面を含む場合は、それらの面を包括的に第３面３１３と称する。
【００３６】
窓部３４および窓部３５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、特に限定されないが、例えば、ガラス材料、水晶等が挙げられる。一方、胴体部３３の構成材料としては、石英ガラス、ホウケイ酸ガラス、シリコン、水晶等が挙げられるが、加工性や、窓部３４および窓部３５との接合の観点から、ガラス材料、シリコン材料を用いることが好ましい。また、胴体部３３と窓部３４および窓部３５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。
【００３７】
以上のような構成の原子セル３の第２面３１２側には、受光素子２０２が第２面３１２に対向して配置されている。受光素子２０２は、原子セル３内を透過して、第２面３１２から出射した光ＬＬ、すなわち、共鳴光対の強度を検出することができる。受光素子２０２としては、特に限定されず、例えば、フォトダイオード等が挙げられる。
【００３８】
原子セル３の胴体部３３の外周側には、筒状をなす支持部材５が胴体部３３と同心的に配置されている。支持部材５は、内側で原子セル３を支持するとともに、外側でコイル４を支持する部材である。
【００３９】
なお、支持部材５の内壁間のＸ軸に沿った長さは、原子セル３のＸ軸方向に沿った全長よりも長い。これにより、支持部材５の内側に、胴体部３３全体を収容することができる。これにより、後述するヒーターからの熱を原子セル３のＸ軸方向における全体に伝えやすくなるので、原子発振器１にとって好ましい構成となる。
【００４０】
支持部材５の外周面５１には、コイル４を螺旋状に巻回することができる。これにより、コイル４は、螺旋状に巻回された状態が維持される。また、支持部材５の外周面５１には、その周方向に沿って溝５２が螺旋状に形成されていてもよい。これにより、螺旋状のコイル４を形成する際には、コイル４を構成する金属製の１本のワイヤー４１を溝５２に沿わせることにより、コイル４の形成を容易に行なうことができる。また、溝５２により、支持部材５の外周面５１上でのコイル４の位置ズレが防止され、よって、コイル４の巻回状態をより強固に維持することができる。
【００４１】
また、支持部材５には、伝熱部材７が挿通する貫通孔５３が形成されている。貫通孔５３は第１シールド部材６の開口の一例である。これにより、伝熱部材７の位置を規制し、原子セル３の所望の位置に接触させやすくできる。なお、第１シールド部材６が容器本体と蓋とを有する場合、伝熱部材７は容器本体と蓋との隙間、すなわち開口、を経由してもよい。これにより、第１シールド部材６に伝熱部材７を通すための専用の貫通孔を形成しなくても、伝熱部材７と原子セル３とを接続することができる。
【００４２】
支持部材５の構成材料としては、特に限定されず、例えば、コイル４から原子セル３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や、炭化ケイ素系等の熱伝導性のセラミックス材料を用いることができる。また、コイル４が通電より発熱するよう構成されている場合には、支持部材５の構成材料として、コイル４から原子セル３への磁界を阻害しない機能を有しつつ、熱伝導性に優れた材料を用いることが好ましい。これにより、コイル４で生じた熱を支持部材５を介して胴体部３３に伝えることができ、よって、内部空間Ｓを加熱することができる。
【００４３】
コイル４は、原子セル３の外側で第３面３１３に沿って、特に本実施形態では、前述したように、支持部材５の外周面５１に沿って、螺旋状に巻回されたワイヤー４１で構成されている。コイルを構成するワイヤー４１は、絶縁材料で覆われている。コイル４は、通電により、内部空間Ｓ内に光ＬＬの光軸ａに沿った方向の磁場を発生させることができる。なお、コイル４を構成するワイヤー４１の本数は、１本に限定されず、例えば、複数本であってもよい。
【００４４】
このように原子発振器１は、原子セル３の外側に配置され、螺旋状に巻回されたワイヤー４１で構成され、通電により磁場を発生させるコイル４を備えている。これにより、内部空間Ｓ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４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。
【００４５】
コイル４は、Ｘ軸方向、すなわち、原子セル３を透過する光ＬＬの光軸ａ方向に隣り合うワイヤー４１同士が接する複数の密巻き部４２と、光軸ａ方向に隣り合うワイヤー４１同士の間に間隙４１１が形成された、すなわち、ワイヤー４１同士が離間した複数の疎巻き部４３と、を有している。このようなコイル４としては、ヘルムホルツ型のコイルや、Lee-Whiting型のコイルを用いることができる。本実施形態のコイルは密巻き部４２と疎巻き部４３とがＸ軸方向に沿って交互に配置されたLee-Whiting型のコイルであり、である。
【００４６】
密巻き部４２としては、Ｘ軸方向正側から順に、第１密巻き部４２Ａ、第２密巻き部４２Ｂ、第３密巻き部４２Ｃおよび第４密巻き部４２Ｄがある。各密巻き部４２での巻回数は、特に限定されず、例えば、２以上４０以下であることが好ましく、４以上１０以下であることがより好ましい。また、各密巻き部４２での巻回数は、同じであってもよいし、異なっていてもよい。例えば、本実施形態では、第１密巻き部４２Ａでの巻回数と、第４密巻き部４２Ｄでの巻回数とは、同じ９巻回であり、第２密巻き部４２Ｂでの巻回数と、第３密巻き部４２Ｃでの巻回数とは、同じ４巻回である。この場合、コイル４は、「Lee-Whiting 4-Coil」と呼ばれる。これにより、例えばコイル４がヘルムホルツ型のコイルである場合に比べて、コイル４の小型化に寄与するとともに、均一磁場領域を大幅に拡張することができ、内部空間Ｓ内での不均一磁場を２％以下に維持することができる。
【００４７】
疎巻き部４３としては、Ｘ軸方向正側から順に、第１疎巻き部４３Ａ、第２疎巻き部４３Ｂおよび第３疎巻き部４３Ｃがある。各疎巻き部４３での間隙４１１の大きさは、同じであってもよいし、異なっていてもよい。例えば、本実施形態では、第１疎巻き部４３Ａでの間隙４１１の大きさと、第３疎巻き部４３Ｃでの間隙４１１の大きさとは、同じであり、かつ、第２疎巻き部４３Ｂでの間隙４１１よりも大きい。
【００４８】
なお、密巻き部４２の形成数は、４つ、疎巻き部４３の形成数は、３つに限定されない。
【００４９】
コイル４の構成材料としては、特に限定されず、例えば、銅やニッケルクロム合金等のような導電性を有する金属材料を用いることができる。
【００５０】
コイル４の構成材料としてニッケルクロム合金を用いた場合、コイル４は、通電により発熱することによって、支持部材５を介して、原子セル３内を加熱することができる。このように、ニッケルクロム合金のコイル４は、原子セル３を加熱するヒーターとしても機能する。これにより、原子セル３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ことができる。また、例えば、原子セル３を加熱するヒーターをコイル４とを別途に設けるのを省略することができ、よって、原子発振器１の構成を簡単なものにすることができる。なお、ヒーター、本実施形態においてはコイル４は、制御回路５０によって制御される。
【００５１】
原子発振器１は、原子セル３、支持部材５およびコイル４を収容し、磁気シールド性を有する第１シールド部材６を備えている。これにより、原子セル３に向かう、原子発振器１の使用環境下での磁場を遮蔽することができ、よって、原子セル３内の磁場が変動するのを低減することができる。
【００５２】
第１シールド部材６には、Ｙ軸方向に貫通し、伝熱部材７が挿通する挿通孔６１が形成されている。
【００５３】
また、第１シールド部材６のＸ軸と交差する２つの壁には、Ｘ軸に沿って貫通する開口６２、６３が形成されている。開口６２は、開口６３に対してＸ軸の負側に位置しており、原子セル３の第１面３１１に入射する光ＬＬが通過する。一方、開口６３は開口６２に対してＸ軸の正側に位置しており、第２面３１２から出射した光ＬＬが通過。
【００５４】
第１シールド部材６の構成材料としては、特に限定されず、例えば、鉄、コバール、パーマロイ、ステンレス鋼等の透磁率が比較的高い鉄系合金等を用いることが好ましい。
【００５５】
第１シールド部材６は、単層の板部材を加工したものであってもよいし、積層体で構成された板部材を加工したものであってもよい。
【００５６】
また、第１シールド部材６の挿通孔６１は、挿通孔６１に対する平面視で、第１当接部７３の挿通孔６１内に配置される部分も大きく、挿通孔６１と第１当接部７３との間には、間隙６４が形成されている。第１当接部７３については後述する。間隙６４には、第１シールド部材６と同じ材料で構成された部材が嵌合していてもよい。これにより、間隙６４を埋めることができ、よって、間隙６４からの磁場の流入を防止することができる。
【００５７】
また、本実施形態では、支持部材５と第１シールド部材６との間に間隙が形成されており、この間隙は、断熱性を有する断熱層７０として機能する。
【００５８】
このように、原子発振器１は、原子セル３を内側で支持する支持部材５と、シールドである第１シールド部材６との間に配置され、断熱性を有する断熱層７０を備えた構成となっている。これにより、コイル４で生じた熱が第１シールド部材６に放出さにくくなり、すなわち、断熱層７０の内側に熱がこもり、よって、原子セル３を迅速に加熱することができる。また、加熱後の原子セル３内の温度の変化を低減することができる。
【００５９】
なお、断熱層７０は、本実施形態では空気層で構成されているが、これに限定されず、例えば、各種の断熱性樹脂材料や、ステアタイト系やジルコニア系等の熱伝導率の低いセラミックス材料で構成することもできる。また、断熱層７０が空気層で構成され、断熱層７０での対流の作用等により断熱性の確保が困難となりそうな場合には、断熱層７０を各種樹脂材料やセラミックス材料で構成することが好ましい。また、断熱層７０が各種樹脂材料やセラミックス材料で構成されている場合、光ＬＬの光路上からは断熱層７０が省略されている。また、断熱層７０は、繊維を含んでいてもよいし、発泡材や多孔質材で構成することもできる。また、断熱層７０は、気密性が確保された真空断熱構造であってもよい。
【００６０】
第２シールド部材８は、箱状をなし、その内側に原子セルユニット２０、発光素子モジュール１０および光学系ユニット３０を一括して収容することができる。第２シールド部材８は、磁気シールド性を有する。これにより、第１シールド部材６での磁場の遮蔽性を補うことができ、よって、外部磁場の影響で、第２シールド部材８内、特に原子セル３内の磁場が変動するのをより低減することができる。
【００６１】
第２シールド部材８の構成材料としては、特に限定されず、例えば、第１シールド部材６の構成材料と同様の材料を用いることができる。
【００６２】
第２シールド部材８は、第１シールド部材６と同様に、単層の板部材を加工したものであってもよいし、積層体で構成された板部材を加工したものであってもよい。
【００６３】
なお、第２シールド部材８の内側には、１つのシールド部材、すなわち、第１シールド部材６が配置されているが、第２シールド部材８の内側にあるシールド部材の配置数は、１つに限定されず、例えば、複数であってもよい。例えば、シールド部材の数が２つの場合、第１シールド部材６ともう一つのシールド部材が重なっていることが好ましく、第１シールド部材６が当該もう一つのシールド部材に収容されていることがより好ましい。
【００６４】
第２シールド部材８と原子セル３との間には、ペルチェ素子２１２と伝熱部材７とが配置されている。ペルチェ素子２１２は、伝熱部材７に対して第２シールド部材８側に位置し、伝熱部材７は、ペルチェ素子２１２の原子セル３側の面に接している。また、伝熱部材７には、温度センサー２０４が支持、固定されている。
【００６５】
このように原子発振器１は、伝熱部材７に接し、原子セル３内の温度を制御する温度制御素子としてのペルチェ素子２１２を備えている。ペルチェ素子２１２は、供給される電流の向きに応じて加熱機能または冷却機能が発揮され、よって、伝熱部材７を介して原子セル３内を所望の温度に調節することができる。
【００６６】
また、ペルチェ素子２１２は、伝熱部材７と反対側で第２シールド部材８に接している。これにより、例えば、ペルチェ素子２１２が原子セル３を冷却する場合に、ペルチェ素子２１２から発せられた余剰分の熱を第２シールド部材８を介して放出することができる。
【００６７】
また、原子発振器１では、例えば仮にペルチェ素子２１２での発熱量が不足する場合、その不足分を、ペルチェ素子２１２に隣り合って配置された別のヒーター（図示せず）からの熱で補ってもよい。この場合、当該ヒーターとしては、特に限定されず、例えば、セラミックヒーターやパワートランジスタ等の各種ヒーターを用いることができる。
【００６８】
伝熱部材７は、支持部材５および第１シールド部材６を貫通して、原子セル３とペルチェ素子２１２とに接し、原子セル３の胴体部３３よりも熱伝導率が大きい部材である。この伝熱部材７は、Ｙ軸と平行な軸を中心軸とする柱状をなし、原子セル３の第３面３１３の一部に接する第１当接部７３と、ペルチェ素子２１２に接する第２当接部７４と、を有している。第１当接部７３の外径は、第２当接部７４の外径よりも小さい。なお、第１当接部７３は原子セル３に直接接していてもよいし、熱伝導性の接着剤などを介して接していてもよい。同様に、第２当接部７４はペルチェ素子２１２に直接接していてもよいし、熱伝導性の接着剤などを介して接していてもよい。
【００６９】
伝熱部材７の熱伝導率は、原子セル３の胴体部３３の熱伝導率の１．１倍以上４００倍以下であることが好ましく、１０倍以上２０００倍以下であることがより好ましい。伝熱部材７の熱伝導率が原子セル３の熱伝導率よりも大きいことで、伝熱部材７を介した熱の移動を効率よく行うことができる。このような伝熱部材７の構成材料としては、例えば、胴体部３３がガラス材料で構成されている場合には、銅、アルミニウム等のような金属材料や、グラファイトなどを用いることができる。
【００７０】
なお、伝熱部材７は、１つの母材を加工して得られたものに限定されず、例えば、複数の母材を加工して、これらを連結した連結体で構成されていてもよい。複数の部材が連結されている場合、全ての部材が同じ材料であってもよいし、少なくとも一つの部材の材料が異なっていてもよい。
【００７１】
また、第２当接部７４には、温度センサー２０４が支持、固定されている。温度センサー２０４は、伝熱部材７の温度を検出する温度検出素子である。温度センサー２０４としては、特に限定されないが、例えば、サーミスタまたは熱電対等のような各種温度検出素子を用いることができる。なお、温度センサー２０４の位置は第２当接部７４に限定されない。原子セル３の温度を適切に制御できればよく、例えば、伝熱部材７の他の部分、第１シールド部材６、または第２シールド部材８に配置してもよい。
【００７２】
前述したように、原子発振器１では、原子セル３がコイル４によって加熱されることで、原子セル３に収容されているアルカリ金属原子の一部が気体となる。。また、原子セル３には補充用金属ＭＲが収容されている。補充用金属ＭＲは原子セル３において胴体部３３などの所定の位置に付着していることが好ましい。
【００７３】
そこで、原子発振器１では、ペルチェ素子２１２および伝熱部材７によって、原子セル３の一部を、原子セル３の他の部分よりも低い温度に制御する。原子セル３の他の部分は、コイル４によって、伝熱部材７が接している部分よりも高い温度に加熱される。ペルチェ素子２１２は、伝熱部材７を介して原子セル３の一部を加熱してもよいし、冷却してもよい。
【００７４】
このようにすることで、原子セル３の内壁面および内部空間Ｓに相対的に高温の部分と低温の部分ができる。相対的に低温の部分の飽和蒸気圧は、相対的に高温の部分の飽和蒸気圧よりも低いため、補充用金属ＭＲは、相対的に低温の部分の内壁面に液体または固体の状態で付着する。これにより、補充用金属ＭＲを原子セル３の所望の位置に付着させることができるので、補充用金属ＭＲが内部空間Ｓ内を移動して光ＬＬと緩衝することを低減できる。
【００７５】
また、原子発振器１では、伝熱部材７が第１シールド部材６の開口を経由して原子セル３に接している。これにより、原子セル３に突出した部分を設けなくても、つまり、突出した部分がある原子セルと比較して簡単な形状の原子セル３を用いても、原子セル３の一部を原子セル３の他の部分とは異なる温度に制御できる。
【００７６】
原子セル３の形状が簡単であると、光の入射面である第１面３１１や光の出射面である第２面３１２も単純な形状にできる。これにより、光ＬＬが第１面３１１に入射して、アルカリ金属原子を励起するのに十分な程度に、第１面３１１の面積を確保しやすい。または、光ＬＬが第２面３１２から出射して、受光素子２０２で検出されるのに十分な程度に、第２面３１２の面積を確保しやすい。これにより、原子発振器１の発振特性、特に周波数安定度を向上させることができる。
【００７７】
伝熱部材７は、第２当接部７４のペルチェ素子２１２に対向する面の面積がペルチェ素子２１２の第２当接部７４に対向する面の面積に近いことが好ましい。また、ペルチェ素子２１２に対向する面の全体がペルチェ素子２１２に接していることが好ましい。これにより、ペルチェ素子２１２と第２当接部７４との間での熱の伝達損失を低減できる。
【００７８】
前述したように、原子セル３には、固体または液体のアルカリ金属原子である補充用金属ＭＲが収容されている。そして、補充用金属ＭＲは、原子セル３の中で伝熱部材７側に偏在している。これにより、原子発振器１では、補充用金属ＭＲが内部空間Ｓ内を移動して光ＬＬと緩衝することを低減できる。
【００７９】
伝熱部材７は、断熱層７０を貫通している。これにより、伝熱部材７は、一部、すなわち、断熱層７０を貫通した部分の周囲が断熱状態となるので、、断熱層がない場合と比較して、熱が伝熱部材７から逃げにくい。そのため、伝熱部材７での熱の伝達が迅速に行われ易くなる。
【００８０】
また、原子セル３は、断熱層７０の内側に配置されている。断熱層７０によって原子セル３の外部の温度が原子セル３に影響しにくくなるので、断熱層７０がない場合と比較して、原子セル３の温度をペルチェ素子２１２やコイル４による温度に安定させやすい。
【００８１】
前述したように、コイル４は、Ｘ軸方向、すなわち、原子セル３を透過する光ＬＬの光軸ａ方向において隣り合うワイヤー４１の部分同士の間に間隙４１１が形成された疎巻き部４３を有している。そして、伝熱部材７は、間隙を経由して原子セル３の一部に接している。本実施形態では、伝熱部材７は、３つ以上の疎巻き部４３のうちの最も端に位置する疎巻き部４３、すなわち、第１疎巻き部４３Ａを挿通している。
【００８２】
伝熱部材７が疎巻き部４３を挿通していることにより、コイル４と伝熱部材７とが物理的に干渉せず、かつ、コイル４で原子セル３を覆うことができる。例えば、２つのソレノイドコイルを間隔を空けて配置し、当該２つのソレノイドコイルの間を通って伝熱部材７が原子セル３に接する構成では、原子セル３の内部の磁場が不均一になってしまう。これに対し、疎巻き部４３を有する上述のコイル４によって生じる磁場は原子セル３内において均一である。そのため、磁場に勾配が生じにくい。よって、原子発振器１の周波数安定度を向上させることができる。
【００８３】
なお、本実施形態では、伝熱部材７は、３つの疎巻き部４３のうち第１疎巻き部４３Ａを挿通しているが、これに限定されず、例えば、第２疎巻き部４３Ｂまたは第３疎巻き部４３Ｃを挿通していてもよい。伝熱部材７が第１疎巻き部４３Ａに配置される場合、原子セル３の相対的に温度が低い部分は、Ｘ軸における窓部３５寄りの部分となる。伝熱部材７が第３疎巻き部４３Ｃを通る場合と比較して、窓部３４の温度が低くなりにくいので、光ＬＬが入射する窓部３４にアルカリ金属原子が付着しにくい。そのため、原子セル３に入射する光ＬＬの強度が弱まりにくいので、ライトシフトが起きにくい。したがって、伝熱部材７が第３疎巻き部４３Ｃを通る場合よりも、原子発振器１の周波数安定度を向上させることができる。
【００８４】
以上のように、原子発振器１は、光ＬＬを発する発光素子１０２と、発光素子１０２からの光ＬＬが入射する第１面３１１と、第１面３１１に入射した光ＬＬが出射する第２面３１２とを有し、気体のアルカリ金属原子が収容された原子セル３と、原子セル３が収容され、磁気シールド性を有するシールドとしての第１シールド部材６と、第１シールド部材６の開口を経由して原子セル３の一部に接し、原子セル３よりも熱伝導率が大きい伝熱部材７と、伝熱部材７に接し、原子セル３の温度を制御する温度制御素子としてのペルチェ素子２１２と、第２面３１２から出射した光ＬＬを受ける受光素子２０２と、を備えている。
【００８５】
このような構成によれば、前述したように、構造が簡単であっても、原子セル３の一部分の温度を他の温度と異なる温度に制御することができる。
【００８６】
また、コイル４は、伝熱部材７を避けつつ、原子セル３を過不足なく外側から覆った状態となる。これにより、コイル４によって生じる磁場が原子セル３において均一になるので、アルカリ金属原子をゼーマン分裂において所望のエネルギー準位に安定させることができ、よって、原子発振器１の周波数安定度を向上させることができる。また、コイル４がLee-Whiting型のコイルであることにより、コイル４を含めた原子発振器１全体の小型化が図られる。また、原子発振器１では、コイル４が磁場発生機能と発熱機能との双方を兼ね備えたものであることにより、各機能を有する部材を各々設けるのを省略することができる。これにより、原子発振器１を構成する部品点数を軽減することができ、よって、原子発振器１の低コスト化が可能となる。
【００８７】
＜第２実施形態＞
図３は、第２実施形態に係る原子発振器の主要部の断面図である。
【００８８】
以下、図３を参照して本実施形態の原子発振器および周波数信号生成システムの第２実施形態について説明するが、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同一の構成には同一の符号を付してその説明を省略する。
【００８９】
図３に示すように、伝熱部材７は屈曲しており、Ｘ軸に沿って延びる第１当接部７３と、Ｘ軸に沿って延びる第２当接部７４と、Ｙ軸に沿って延び、第１当接部７３と第２当接部７４とを連結する連結部７５と、を有している。連結部７５は、第１当接部７３のＸ軸正側の端部と、第２当接部７４のＸ軸正側の端部と、を連結している。
【００９０】
なお、伝熱部材７は、第１当接部７３と第２当接部７４と連結部７５とが一体的に形成されていてもよいが、一部が別体であってもよい。例えば、第２当接部７４と連結部７５とが一体的に形成され、第１当接部７３が別体で構成されていてもよい。この場合、互いの構成材料は、同じであってもよいし、異なっていてもよい。
【００９１】
また、本実施形態では、コイル４は、密巻き部４２で構成された、いわゆるソレノイドコイルである。
【００９２】
伝熱部材７は、コイル４を避けるように、原子セル３を透過する光ＬＬの光軸ａ方向における、コイル４の開口を経由して、本実施形態ではＸ軸方向正側の開口を経由して、原子セル３に接している。伝熱部材７がコイル４をＹ軸方向に挿通する必要がないので、コイル４が疎巻き部４３を有していなくてもよい。したがって、本実施形態の構成は、コイル４として、密巻き部４２で構成されたコイル４を用いたい場合に有効である。
【００９３】
また、本実施形態の伝熱部材７の第１当接部７３は、原子セル３の第２面３１２と第３面３１３とにまたがって接している。第１当接部７３は、第２面３１２のみに接していてもよいし、光ＬＬと補充用金属ＭＲが干渉しなければ第３面３１３のみに接していてもよい。
【００９４】
なお、コイル４は、本実施形態では密巻き部４２で構成されているが、これに限定されず、例えば、疎巻き部４３を有していてもよい。
【００９５】
原子発振器１は、原子セル３を加熱するヒーター２０３を備えている。これにより、例えばコイル４での発熱量が不足する場合、その不足分をヒーター２０３からの熱で補うことができる。また、例えばコイル４の構成材料として銅を用いた場合、コイル４は通電による発熱が抑えられるため、原子セル３内を加熱するときには、コイル４に代えて、ヒーター２０３を用いることができる。
【００９６】
なお、ヒーター２０３は、本実施形態では第１シールド部材６に囲まれている。これにより、ヒーター２０３に通電することで発生する磁場が原子セル３の磁場に与える影響を低減できる。ヒーター２０３の配置箇所は、本実施形態では原子セル３を挟んで伝熱部材７とは反対側である。ヒーター２０３の配置箇所および配置数はこれに限定されないが、原子セル３を挟んで伝熱部材７とは反対側とすることで、原子セル３に生じる温度勾配を安定させやすい。
【００９７】
ヒーター２０３としては、特に限定されず、例えば、セラミックヒーターやパワートランジスタ等の各種ヒーターを用いることができる。
【００９８】
＜第３実施形態＞
図４は、第３実施形態に係る原子発振器の主要部のＹ−Ｚ平面に沿った断面図である。
【００９９】
以下、この図を参照して本発明の原子発振器および周波数信号生成システムの第３実施形態について説明するが、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。
【０１００】
図４に示すように、伝熱部材７は、第１当接部７３が、原子セル３に対し、Ｚ軸方向正側から接している。また、第１当接部７３は、Ｚ軸方向負側の面７３１が原子セル３の第３面３１３に接している。第１当接部７３は、立方体に近い形状であり、原子セル３に接する面が第３面３１３に沿った形をしている。
【０１０１】
このような構成によっても、伝熱部材７が疎巻き部４３を挿通していることにより、磁場の均一性を向上させ、原子発振器１の周波数安定度を向上させることができる。
【０１０２】
＜第４実施形態＞
図５は、第４実施形態に係る原子発振器の主要部の断面図である。
【０１０３】
以下、この図を参照して本発明の原子発振器および周波数信号生成システムの第４実施形態について説明するが、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。
【０１０４】
図５に示すように、伝熱部材７は、板部材を屈曲させて構成されており、Ｘ軸方向に沿って延びる第１当接部７３と、Ｘ軸方向に沿って延びる第２当接部７４と、第１当接部７３と第２当接部７４とを連結する連結部７５と、を有している。連結部７５は、第１当接部７３のＸ軸方向正側の端部と、第２当接部７４のＸ軸方向負側の端部と、を連結している。伝熱部材７は、Ｙ軸方向に伸縮可能な、すなわち、第１当接部７３と第２当接部７４とのＹ軸沿った距離が可変となるよう弾性を有する。
【０１０５】
伝熱部材７がＹ軸方向に伸縮可能であることにより、伝熱部材７を、原子セル３およびペルチェ素子２１２に押し当てることができる。そのため、例えば、原子発振器１の個体差によって原子セル３とペルチェ素子２１２との間のＹ軸方向に沿った距離にバラツキがあっても、伝熱部材７を介して、原子セル３とペルチェ素子２１２とを熱的に接続することができる。これにより、例えば、原子セル３とペルチェ素子２１２との間での熱を移動の個体差を低減することができる。
【０１０６】
また、伝熱部材７は、第２当接部７４が固定部材２１６を介してペルチェ素子２１２に固定されている。固定部材２１６も、伝熱部材７と同様に、熱伝導性に優れた材料で構成されている。
【０１０７】
また、本実施形態では、伝熱部材７は、コイル４にある３つの疎巻き部４３のうち、中央に位置する疎巻き部４３、すなわち、第２疎巻き部４３Ｂを挿通している。これにより、原子セル３の窓部３４および窓部３５の双方に対する温度の影響を抑制することができる。また、磁場の対称性を乱しにくいと考えられる。また、伝熱部材７が第１疎巻き部４３Ａまたは第３疎巻き部４３Ｃに配置される場合と比較して、窓部３４および窓部３５の温度が低下しにくいので、窓部４４および窓部４５にアルカリ金属原子が付着しにくい。したがって、ライトシフトが起きにくく、かつ、受光素子が受光する光量が減少しにくい。
【０１０８】
＜第５実施形態＞
図６は、第５実施形態に係る原子発振器の主要部の断面図である。
【０１０９】
以下、この図を参照して本発明の原子発振器の第５実施形態について説明するが、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。
【０１１０】
図６に示すように、ヒーター２０３は、第１シールド部材６に囲まれており、この第１シールド部材６が支持部材５に接して、支持部材５と熱的に接続されている。これにより、ヒーター２０３の熱を支持部材５を介して原子セル３に伝えることができ、よって、例えば、ヒーター２０３と原子セル３との間に空隙がある場合よりも原子セル３を迅速に加熱することができる。なお、ヒーター２０３の原子セル３に対向する面とは反対側の面と第１シールド部材６との間には、断熱部材が配置されていてもよい。断熱材がない場合よりも、ヒーター２０３の熱が第１シールド部材６の原子セル３と接していない部分に伝わりにくくなるので、効率よく原子セル３を加熱することができる。
【０１１１】
＜第６実施形態＞
図７は、第６実施形態に係る原子発振器の主要部の断面図である。
【０１１２】
以下、図７を参照して本実施形態の原子発振器および周波数信号生成システムの第６実施形態について説明するが、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同一の構成には同一の符号を付してその説明を省略する。
【０１１３】
図７に示すように、本実施形態の原子発振器１は、第１シールド部材６を収容している第３シールドとしての第３シールド部材９を有する。第３シールド部材９は、第２シールド部材８に収容されている。
【０１１４】
伝熱部材７は、複数の部材から構成されており、第１当接部７３は原子セル３の窓部３５および胴体部３３に接している。第１当接部７３は、支持部材５に対して間隔を空けて配置されている。第１当接部７３と支持部材５との間は空隙である。また、第１当接部７３は、第１シールド部材６に対して間隔を空けて配置されている。第１当接部７３と第１シールド部材６との間は空隙である。
【０１１５】
連結部７５は、第１シールド部材６と第１当接部７３とを接続する螺子７５１と、螺子７５１と第３シールド部材９とを接続する金属板７５２と、第３シールド部材９と第２当接部７４とを接続する金属板７５３と、を含む。螺子７５１は、第１シールド部材６の螺子穴、すなわち第１シールド部材６の開口、を経由して、第１当接部７３に接続されている。連結部７５の各部材間の接続構造は、伝熱できる構造であればよく、本実施形態では、螺子７５１と第３シールド部材９との間に金属板７５２が挟み込まれている。連結部７５と第２当接部７４との接続箇所、および、第２当接部７４とペルチェ素子２１２とが接する部分は、熱伝導性の接着剤を介して接着されていてもよい。また、第３シールド部材９の一部も、２つの金属板の間での伝熱に寄与することから、第３シールド部材９の一部も伝熱部材７を構成しているということができる。
【０１１６】
温度センサー２０４は、第３シールド部材９に配置されている。温度センサー２０４と第１当接部７３との距離は、温度センサー２０４と支持部材５との距離よりも小さい。温度センサー２０４が第３シールド部材９に配置されていることにより、温度センサー２０４が第２当接部に配置されている場合よりも、原子セル３の実際の温度に近い温度を検出することができる。
【０１１７】
本実施形態の原子発振器１は、第３シールド部材９を有するので、第３シールド部材９がない場合と比較して、外部磁場が原子セル３に与える影響を小さくすることができる。第１当接部７３は、支持部材５および第１シールド部材６に対して間隔を空けて配置されている。第１当接部７３と第１シールド部材６とは接していてもよいが、間隔を空けることで、ヒーター２０３からの熱が第１当接部７３に伝わりにくいので、原子セル３の第１当接部７３が接している部分の温度とヒーター２０３からの温度とが干渉しにくくできる。なお、第１当接部７３と第１シールド部材６との間隙には、断熱材を配置してもよい。また、螺子穴にも断熱剤を配置して、螺子７５１と第１シールド部材６との伝熱を低減してもよい。なお、図７においては連結部７５の第３シールド部材９と対向する部分は第３シールド部材９に接しているが、一部が第３シールド部材９から離間していてもよい。
【０１１８】
＜第７実施形態＞
図８は、第７実施形態に係る原子発振器の主要部の断面図である。
【０１１９】
以下、図８を参照して本実施形態の原子発振器および周波数信号生成システムの第７実施形態について説明するが、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同一の構成には同一の符号を付してその説明を省略する。
【０１２０】
図８に示すように、本実施形態の原子発振器１は、伝熱部材７の構造が第６実施形態とは異なる。伝熱部材７の連結部７５は、第１シールド部材６および第３シールド部材９の開口を経由して第１当接部７３に接続された螺子７５４を含む。図７に示すように金属板７５２によって螺子７５１と第３シールド部材９とを接続する場合よりも部品点数が少ないので、熱抵抗を低減し、ペルチェ素子２１２と原子セル３との間での熱の移動を効率よく行うことができる。
【０１２１】
＜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。
【０１２２】
図７は、ＧＰＳ（Global Positioning System）衛星を利用した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。
【０１２３】
図７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。
【０１２４】
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。
【０１２５】
ここで、受信装置１３０２は、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で取得された測位情報は、リアルタイムで送信装置１３０４により送信される。
【０１２６】
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３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も、の特性を向上させることができる。
【０１２７】
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。
【０１２８】
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および受信装置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。そして、原子発振器１は、光ＬＬを発する発光素子１０２と、発光素子１０２からの光ＬＬが入射する第１面３１１と、第１面３１１に入射した光ＬＬが出射する第２面３１２とを有し、気体のアルカリ金属原子が収容された原子セル３と、原子セル３が収容され、磁気シールド性を有するシールドとしての第１シールド部材６と、第１シールド部材６の開口を経由して、原子セル３の一部に接し、原子セル３よりも熱伝導率が大きい伝熱部材７と、伝熱部材７に接し、原子セル３の温度を制御する温度制御素子としてのペルチェ素子２１２と、第２面３１２から出射した光ＬＬを受ける受光素子２０２と、を備えている。
【０１２９】
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。
【０１３０】
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。
【０１３１】
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。
【０１３２】
また、本発明の原子発振器および周波数信号生成システムは、前記各実施形態のうちの、任意の２以上の構成や特徴を組み合わせたものであってもよい。
【０１３３】
前述した各実施形態では、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、アルカリ金属原子を封入したランプ等を用いることができる。
【符号の説明】
【０１３４】
１…原子発振器、３…原子セル、３１１…第１面、３１２…第２面、３１３…第３面、３３…胴体部、３４…窓部、３５…窓部、４…コイル、４１…ワイヤー、４１１…間隔、４２…密巻き部、４２Ａ…第１密巻き部、４２Ｂ…第２密巻き部、４２Ｃ…第３密巻き部、４２Ｄ…第４密巻き部、４３…疎巻き部、４３Ａ…第１疎巻き部、４３Ｂ…第２疎巻き部、４３Ｃ…第３疎巻き部、５…支持部材、５１…外周面、５２…溝、５３…貫通孔、６…第１シールド部材、６１…挿通孔、６２…開口、６３…開口、６４…間隙、７…伝熱部材、７３…第１当接部、７３１…面、７４…第２当接部、７５…連結部、７５１…螺子、７５２…金属板、７５３…金属板、７５４…螺子、８…第２シールド部材、９…第３シールド部材、１０…発光素子モジュール、２０…原子セルユニット、３０…光学系ユニット、５０…制御回路、７０…断熱層、１０１…ペルチェ素子、１０２…発光素子、１０３…温度センサー、２０２…受光素子、２０３…ヒーター、２０４…温度センサー、２１２…ペルチェ素子、２１３…ペルチェ素子、２１４…伝熱部材、２１５…温度センサー、２１６…固定部材、３０１…減光フィルター、３０２…集光レンズ、３０３…１／４波長板、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、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…基地局受信部、ＬＬ…光、ＭＲ…補充用金属、Ｓ…内部空間、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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