(57)【要約】【課題】本体とリッドを接合する際、リッドにクラックが生じることを低減することができる原子セルおよび原子発振器を提供すること。【解決手段】開口を有し、アルカリ金属原子が収容されている本体と、接合材を介して前記開口を塞ぐように前記本体に接合されており、前記本体の熱膨張係数よりも熱膨張係数が小さいリッドと、を含む、原子セル。また、前記本体の熱膨張係数と前記リッドの熱膨張係数との差は、５．０×１０−７／℃以上、７０．０×１０−７／℃以下であるのが好ましい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
開口を有し、アルカリ金属原子が収容されている本体と、
接合材を介して前記開口を塞ぐように前記本体に接合されており、前記本体の熱膨張係数よりも熱膨張係数が小さいリッドと、を含む、原子セル。
【請求項２】
前記本体の熱膨張係数と前記リッドの熱膨張係数との差は、５．０×１０−７／℃以上、７０．０×１０−７／℃以下である、請求項１に記載の原子セル。
【請求項３】
前記本体の熱膨張係数は、３０．０×１０−７／℃以上、８０．０×１０−７／℃以下であり、
前記リッドの熱膨張係数は、３．０×１０−７／℃以上、５５．０×１０−７／℃以下である、請求項１または２に記載の原子セル。
【請求項４】
前記接合材の熱膨張係数は、５０．０×１０−７／℃以上、１００．０×１０−７／℃以下である、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の原子セル。
【請求項５】
前記本体、前記リッドおよび接合材料は、ガラス材料を含む、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の原子セル。
【請求項６】
前記本体は、ホウケイ酸ガラスであり、
前記リッドは、石英ガラスおよびホウケイ酸ガラスのうちのいずれかである、請求項５に記載の原子セル。
【請求項７】
発光素子と、
開口を有し、アルカリ金属原子が収容されている本体と、接合材を介して前記開口を塞ぐように前記本体に接合されており、前記本体の熱膨張係数よりも熱膨張係数が小さいリッドと、を含む原子セルと、
前記原子セルを通過した光を受光する受光素子と、を含む、原子発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子セルおよび原子発振器に関する。
【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。原子発振器は、一般的に、アルカリ金属原子が封入された原子セルと、原子セルに励起光を照射する光源と、原子セルを通過した光を受光する受光部とを備えている。
【０００３】
原子セルにアルカリ金属原子を封入する方法として、特許文献１には、開口を有するガスセル本体にシール材を介してリッドを接合する方法が記載されている。接合に際し、まず、開口部を囲む位置にシール材を配置し、シール材に重ねてリッドを配置する。そして、リッドを介してレーザー光を照射してシール材を加熱してガスセル本体にリッドを接合する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−２３１２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
レーザー光を照射してシール材を加熱する際、ガスセル本体およびリッドも加熱され、温度上昇によってガスセル本体およびリッドは膨張する。例えば、ガスセル本体とリッドとの材料が同じである場合、ガスセル本体よりも体積が小さいリッドは、加熱前の単位体積を基準に比較すると、ガスセル本体よりも膨張する。この状態で接合がなされると、リッドは、接合材に規制されて膨張したのと同じ量収縮することができない。その結果、収縮しようとする方向の引張応力がリッド内に残ってしまい、リッドにクラックが生じたりするおそれがある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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。
【０００７】
本発明の適用例に係る原子セルは、開口を有し、アルカリ金属原子が収容されている本体と、
接合材を介して前記開口を塞ぐように前記本体に接合されており、前記本体の熱膨張係数よりも熱膨張係数が小さいリッドと、を含む。
【０００８】
本適用例に係る原子セルでは、前記本体の熱膨張係数と前記リッドの熱膨張係数との差は、５．０×１０−７／℃以上、７０．０×１０−７／℃以下であることが好ましい。
【０００９】
本適用例に係る原子セルでは、前記本体の熱膨張係数は、３０．０×１０−７／℃以上、８０．０×１０−７／℃以下であり、
前記リッドの熱膨張係数は、３．０×１０−７／℃以上、５５．０×１０−７／℃以下であることが好ましい。
【００１０】
本適用例に係る原子セルでは、前記接合材の熱膨張係数は、５０．０×１０−７／℃以上、１００．０×１０−７／℃以下であることが好ましい。
【００１１】
本適用例に係る原子セルでは、前記本体、前記リッドおよび接合材料は、ガラス材料を含むことが好ましい。
【００１２】
本適用例に係る原子セルでは、前記本体は、ホウケイ酸ガラスであり、
前記リッドは、石英ガラスおよびホウケイ酸ガラスのうちのいずれかであることが好ましい。
【００１３】
本発明の適用例に係る原子発振器は、発光素子と、
開口を有し、アルカリ金属原子が収容されている本体と、接合材を介して前記開口を塞ぐように前記本体に接合されており、前記本体の熱膨張係数よりも熱膨張係数が小さいリッドと、を含む原子セルと、
前記原子セルを通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】
【００１４】
【図１】図１は、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、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、図２に示す原子セルを製造する製造方法を説明するための断面図である。
【図４】図４は、従来の原子セルの製造方法における原子セルの部分拡大断面図である。
【図５】図５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】
【００１５】
以下、本発明の原子セルおよび原子発振器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。
【００１６】
＜実施形態＞
図１は、実施形態に係る原子発振器を示す概略図である。図２は、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は、図２に示す原子セルを製造する製造方法を説明するための断面図である。図４は、従来の原子セルの製造方法における原子セルの部分拡大断面図である。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
ペルチェ素子２１２は、後述する原子セル３の第２室３２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、第２室３２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、原子セル３の第２室３２の温度を検出する。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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の第１室３１、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の第２室３２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。
【００２９】
原子セル３は、気体のアルカリ金属が収容された第１室３１と、気体のアルカリ金属とともに固体または液体のアルカリ金属（以下「補充用金属ＭＲ」と言う）が収容された第２室３２と、を備える。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。
【００３０】
第１室３１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Ｓ１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Ｓ１、窓部３５を順に透過する。このとき、光ＬＬは、内部空間Ｓ１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Ｓ１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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
第２室３２は、第３面３１３からＹ軸方向正側に向かって突出している。第２室３２は、開口３６０を有し、Ｙ軸と平行な軸を中心軸とする管状の胴体部３６と、開口３６０を覆うように、胴体部３６に接合材３９を介して接合された板状のリッド３７と、を有し、これらで囲まれた内部空間Ｓ２が形成されている。内部空間Ｓ２には、補充用金属ＭＲが収容されている。また、内部空間Ｓ２は、内部空間Ｓ１に連通路３８を介して連通している。これにより、補充用金属ＭＲは、内部空間Ｓ１内の気体のアルカリ金属が不足したとき、気体となって内部空間Ｓ１内に供給される。このように、第２室３２は、補充用金属ＭＲを貯留するリザーバーとして機能する。
【００３４】
このような第２室３２は、入射面である第１面３１１や出射面である第２面３１２を避けた位置に配置されている。これにより、第１面３１１および第２面３１２が複雑な形状となるのを防止することができ、よって、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の面積を確保することができるとともに、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の面積を確保することができる。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。
【００３５】
また、補充用金属ＭＲは、内部空間Ｓ２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３６やリッド３７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Ｓ２内から移動して光ＬＬに干渉することを低減することができる。
【００３６】
また、連通路３８は、胴体部３３をＹ軸方向に貫通する貫通孔で構成され、その内径は、第２室３２の内径よりも小さいことが好ましい。これにより、アルカリ金属原子を励起する際、内部空間Ｓ１と内部空間Ｓ２との間のアルカリ金属原子の流出入、すなわち、クロストークの影響を軽減することができる。
【００３７】
このような胴体部３３、窓部３４、窓部３５および胴体部３６が、本体３０Ａを構成し、本体３０Ａの開口３６０が接合材３９を介して接合されたリッド３７によって塞がれている。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
また、支持部材５には、Ｙ軸方向に貫通し、原子セル３の第２室３２が挿通する貫通孔５３が形成されている。これにより、支持部材５内での原子セル３の向き、すなわち、第２室３２をどの方向に向けるのかを規制することができる。
【００４３】
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Ｓ１を加熱することができる。
【００４４】
コイル４は、第１室３１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。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。
【００４５】
コイル４は、通電により、内部空間Ｓ１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。これにより、内部空間Ｓ１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。
【００４６】
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型のコイルである。
【００４７】
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、２０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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
前述したように、コイル４は、疎巻き部４３を３つ以上有している。そして、第２室３２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に配置されている。この場合、原子セル３の第２室３２は、第１室３１の胴体部３３のＸ軸における端部付近に配置されるので、第２室３２が第１室３１の胴体部３３のＸ軸における中央付近にある場合よりも原子セル３の製造が容易である。
【００５２】
なお、第２室３２は、３つの疎巻き部４３のうちの１つの疎巻き部４３に配置されており、本実施形態では第１疎巻き部４３Ａに配置されているが、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に配置されていてもよい。
【００５３】
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。
【００５４】
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、通電により発熱して、支持部材５を介して、第１室３１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、第１室３１を加熱するヒーターとしても機能する。これにより、第１室３１内のアルカリ金属を加熱し、そのアルカリ金属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、第１室３１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。
【００５５】
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。
【００５６】
第１シールド部材６には、Ｙ軸方向に貫通し、原子セル３の第２室３２が挿通する挿通孔６１が形成されている。これにより、第２室３２の少なくとも一部、すなわち、本実施形態ではリッド３７側の先端部３２１は、第１シールド部材６の外側に位置する。これにより、後述する第２室３２に対する温度制御を、第１室３１よりも優先的に容易に行うことができる。
【００５７】
なお、第２室３２は、先端部３２１が第１シールド部材６の外側に位置しているのに限定されず、例えば、第２室３２全体が第１シールド部材６の外側に位置していてもよい。
【００５８】
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、開口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が通過する。
【００５９】
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。
【００６０】
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２室３２の胴体部３６の挿通孔６１に配置される部分よりも大きく、挿通孔６１と胴体部３６との間には、間隙６４が形成されている。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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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の第１室３１内の磁場が変動するのをより低減することができる。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
このように原子発振器１は、第２室３２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、第２室３２内を所望の温度に調節することができる。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
伝熱部材７は、原子セル３の第２室３２の先端部３２１をリッド３７側から覆うように配置されている。伝熱部材７は、第２室３２のリッド３７に接する第１当接部７１と、第２室３２の胴体部３６の一部に接する第２当接部７２と、を有している。また、第１当接部７１は、リッド３７と反対側においてペルチェ素子２１２にも接する。
【００７２】
伝熱部材７の構成材料としては、特に限定されず、例えば、銅、アルミニウム等のような熱伝導性に優れた材料を用いることができる。
【００７３】
このような伝熱部材７により、原子セル３の第２室３２とペルチェ素子２１２との間で、熱の行き来が迅速に行われる。
【００７４】
なお、伝熱部材７は、第１当接部７１が例えば熱伝導性エポキシ接着剤を介して蓋部３７に接着されていてもよい。これにより、例えば原子発振器１の使用中に第２室３２と伝熱部材７との接続状態を安定させやすく、よって、これらの間の熱伝導性が向上する。
【００７５】
伝熱部材７の第２当接部７２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、第２室３２付近の温度を第２室３２内の温度として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。
【００７６】
さて、前述したように、原子発振器１では、本体３０Ａの開口３６０は、接合材３９を介して接合されたリッド３７によって塞がれている。本体３０Ａにリッド３７を接合する方法に関しては後に詳述するが、簡素に説明すると、まず、開口３６０の縁部にリング状の接合材３９を配置し、接合材３９に重ねてリッド３７を配置する。そして、リッド３７を介して接合材３９にレーザーを照射して加熱して接合材３９を溶融し、その後に冷却することで本体３０Ａにリッド３７が接合される。
【００７７】
リッド３７を介して接合材３９にレーザーを照射して加熱する際、リッド３７、および本体３０Ａ、特に、胴体部３６の温度が上昇する。この温度上昇により、胴体部３６およびリッド３７は膨張する。また、接合材３９を溶融した後に冷却する際、胴体部３６およびリッド３７は収縮する。このような膨張、収縮の程度は、主に本体３０Ａの構成材料の熱膨張係数およびリッド３７の構成材料の熱膨張係数に依存している。
【００７８】
しかしながら、従来では、これらの熱膨張係数の関係は、十分に研究がなされていなかった。本願発明者らは、リッド３７の構成材料の熱膨張係数が本体３０Ａの構成材料の熱膨張係数よりも大きいか、または、同じであると、以下のような問題が発生することを見出した。
【００７９】
図４に示すように、温度上昇によって胴体部３６およびリッド３７は膨張する。胴体部３６よりも体積が小さいリッド３７は、後述するようにリッド３７側から加熱されると、胴体部３６以上の温度になる。そのため、リッド３７のほうが胴体部３６よりも膨張の程度が大きい。なお、図４では、膨張する前を二点鎖線で示し、膨張後を実線で示している。胴体部３６も膨張するが、リッド３７と比較して膨張の程度が小さいため、図示を省略している。この膨張した状態で接合がなされると、リッド３７は、接合材３９に規制されて膨張したのと同じ量収縮することができない。その結果、冷却後に、収縮しようとする方向の引張応力がリッド３７内に残ってしまい、リッド３７にクラックが生じたりするおそれがある。なお、図４はあくまでクラックの発生を説明するための概念図であり、実際にはリッド３７は厚さ方向にも膨張する。しかし、厚さ方向の収縮は制限されないため、残存する応力は主にリッド３７の厚さ方向に垂直な面方向の応力となる。
【００８０】
そこで、本実施形態ではこのような課題を解決すべく、本体３０Ａの熱膨張係数よりもリッド３７の熱膨張係数を小さくした。すなわち、本体３０Ａの熱膨張係数をＣ１とし、リッド３７の熱膨張係数をＣ２としたとき、Ｃ２＜Ｃ１である。これにより、Ｃ２＝Ｃ１またはＣ２＞Ｃ１の場合と比較して、リッド３７の膨張の程度を小さくすることができリッド３７内に残る上記引張応力を抑制することができる。その結果、リッド３７にクラックが生じたりするのを低減することができる。
【００８１】
なお、本明細書中の「熱膨張係数」は、ＪＩＳ  Ｒ  ３１０２に記載の平均線膨張係数に相当し、同規格に準拠して測定された値とする。
【００８２】
Ｃ２＜Ｃ１を満足すればリッド３７にクラックが生じにくくできるが、Ｃ２／Ｃ１は、０．０５以上、０．８以下であるのが好ましく、０．１以上、０．７以下であるのがより好ましい。これにより、リッド３７にクラックがより一層生じにくくなる。また、本体３０Ａおよびリッド３７の構成材料の選定が容易になり、選定の自由度が向上する。Ｃ２／Ｃ１が小さすぎても大きすぎても、本体３０Ａおよびリッド３７の構成材料の選定の際、選択肢が比較的少なくなる。
【００８３】
本体３０Ａの熱膨張係数Ｃ１は、３０．０×１０−７／℃以上、８０．０×１０−７／℃以下であるのが好ましく、３２．５×１０−７／℃以上、５５．０×１０−７／℃以下であるのがより好ましい。本体３０Ａの構成材料としてガラス材料を用いる場合、ガラス材料は熱膨張係数Ｃ１が大きいほど軟化点が比低くなる傾向を示すため、熱膨張係数Ｃ１が大きすぎると、耐熱性が不十分となるおそれがある。一方、熱膨張係数Ｃ１が小さすぎると、Ｃ２＜Ｃ１を満足することを考慮した場合、リッド３７の材料の選定が難しくなる。
【００８４】
リッド３７の熱膨張係数Ｃ２は、３．０×１０−７／℃以上、５５．０×１０−７／℃以下であるのが好ましく、４．５×１０−７／℃以上、３３．０×１０−７／℃以下であるのがより好ましい。熱膨張係数Ｃ２が大きすぎると、リッド３７の構成材料としてガラス材料を用いる場合、成形の難易度が高く、かつ、コストが上がってしまう傾向がある。一方、熱膨張係数Ｃ２が大きすぎると、Ｃ２＜Ｃ１を満足することを考慮した場合、本体３０Ａの材料の選定が難しくなる。
【００８５】
本体３０Ａの熱膨張係数Ｃ１とリッド３７の熱膨張係数Ｃ２との差ΔＣは、５．０×１０−７／℃以上、７０．０×１０−７／℃以下であるのが好ましく、１０．０×１０−７／℃以上、３０．０×１０−７／℃以下であるのがより好ましい。差ΔＣが大きすぎると材料の選定が困難であり、差ΔＣが小さすぎると、差ΔＣが上記範囲である場合と比較してクラックを低減する効果が小さくなる。
【００８６】
本体３０Ａおよびリッド３７の構成材料としては、Ｃ２＜Ｃ１を満たす材料であれば特に限定されず、ガラス材料、水晶等の光透過性を有する材料が挙げられるが、これらの中でもガラス材料を用いることが好ましい。これにより、接合材３９を用いた接合に置いて高い接合強度が得られるとともに、接合後の胴体部３６およびリッド３７の強度を高めることができる。さらに、熱膨張係数Ｃ１および熱膨張係数Ｃ２を上記数値範囲とするための構成材料の選定が容易となる。
【００８７】
ガラス材料としては、ホウケイ酸ガラス、石英ガラス、アルミノケイ酸塩ガラス等が挙げられる。これらの中でも、本体３０Ａの構成材料は、ホウケイ酸ガラスであるのが好ましい。これにより、本体３０Ａの熱膨張係数Ｃ１を上記数値範囲内にすることができるとともに、成形性に優れる。また、リッド３７の構成材料は、ホウケイ酸ガラスまたは石英ガラスであるのが好ましい。石英ガラスは、不純物が比較的少なく、熱膨張係数が比較的小さい。このため、Ｃ２＜Ｃ１を満足するのが容易となる。さらに、耐熱性にも優れる。
【００８８】
なお、本体３０Ａおよびリッド３７の双方の構成材料をホウケイ酸ガラスとすることもできる。ホウケイ酸ガラスに含まれるナトリウム、カリウム、カルシウム等のアルカリ金属の不純物の量によって熱膨張係数が違うので、本体３０Ａおよびリッド３７の双方の構成材料をホウケイ酸ガラスとしてもＣ２＜Ｃ１を満足することができる。
【００８９】
また、本体３０Ａの熱膨張係数Ｃ１およびリッド３７の熱膨張係数Ｃ２に加え、接合材３９の熱膨張係数Ｃ３も下記のような数値範囲または関係であると、本発明の効果がさらに顕著に得られる。
【００９０】
接合材３９の熱膨張係数Ｃ３は、５０．０×１０−７以上、１００．０×１０−７以下であるのが好ましく、６０．０×１０−７以上、８０．０×１０−７以下であるのがより好ましい。これにより、材料の選定が比較的容易となる。
【００９１】
接合材３９の構成材料としては、本体３０Ａとリッド３７とを溶融接合可能であれば特に限定されないが、ガラスフリットであるのが好ましい。また、接合材３９の融点は、２００℃以上、５００℃以下であるのが好ましく、３８０℃以上、４５０℃以下であるのがより好ましい。低融点ガラスフリットと比較して、融点が上記範囲にあるガラスフリットはアルカリ金属耐性があるものが多い。そのため、このようなガラスフリットを用いることで、低融点ガラスフリットを用いる場合よりも信頼性の高い原子セル３を得ることができる。
【００９２】
以上説明したような原子セル３では、リッド３７の体積は、２．０ｍｍ３以上９．０ｍｍ３以下であるのが好ましく、本体３０Ａの体積は、８０ｍｍ３以上３０００ｍｍ３以下であるのが好ましく、接合材３９の体積は、０．００５ｍｍ３以上０．０５ｍｍ３以下であるのが好ましい。
【００９３】
次に、原子セル３の製造方法、すなわち、原子セル３の封止方法について図３を参照しつつ説明する。
【００９４】
まず、原子セル３の封止方法に用いる減圧チャンバー８０について説明する。
減圧チャンバー８０は、排気口８１１と窓部８１２とを有するチャンバー本体８１を備える。チャンバー本体８１は、内部に原子セル３を収納できる程度の大きさを有する。排気口８１１には、例えば吸引ポンプ等の減圧手段が接続されており、減圧チャンバー８０の内部の空気を吸引して排出することにより減圧チャンバー８０内の気圧を下げることができる。窓部８１２は、光透過性を有し、レーザー光Ｌを透過可能である。また、窓部８１２の内面には、内側に向かって突出形成されたピン８１３が形成されている。このピン８１３は、減圧チャンバー８０内に原子セル３を配置した状態において、リッド３７を押圧して加圧するものである。
【００９５】
なお、チャンバー本体８１の側壁の一部は、その他の部位に対して着脱可能または開閉可能に構成されているのが好ましい。これにより、後述するように、減圧チャンバー８０内に原子セル３を配置する工程を容易に行うことができる。
【００９６】
原子セル３の封止方法について説明する。
まず、開口３６０を有する本体３０Ａを用意し、開口３６０を介して第２室３２内に前述したような補充用金属ＭＲを供給する。そして、開口３６０の縁部にリング状の接合材３９を配置する。なお、補充用金属ＭＲの供給と接合材３９の配置とは、この順に限定されず、同時または逆の順番であってもよい。次いで、接合材３９上にリッド３７を配置して、開口３６０を塞ぐ。
【００９７】
そして、この状態の原子セル３を減圧チャンバー８０内に配置する。この際、減圧チャンバー８０内にスペーサー８２を配置し、その上に原子セル３を配置する。スペーサー８２の高さを調節することによりピン８１３が原子セル３を押圧する押圧力を調整することができる。また、ピン８１３は、リッド３７のほぼ中央部に当接して押圧するように原子セル３を配置する。これにより、後述するように、ピン８１３に阻害されることなくレーザー光Ｌを照射することができる。
【００９８】
次いで、排気口８１１を介して空気を吸引して減圧チャンバー８０内を減圧状態とする。本明細書中の「減圧状態」とは、大気圧よりも圧力が低い状態であることを言い、特に、真空状態、すなわち、気圧が０Ｐａ以上、１０−５Ｐａ以下であるのがより好ましい。
【００９９】
次いで、リッド３７の上方から、リッド３７を介して接合材３９にレーザー光Ｌを照射する。本実施形態では、レーザー光Ｌの照射部位を接合材３９に沿ってリング状に移動させながらレーザー光Ｌを照射する。
【０１００】
レーザー光Ｌの波長は、８００ｎｍ以上、１２００ｎｍ以下であるのが好ましく、８００ｎｍ以上、１０００ｎｍ以下であるのがより好ましい。これにより、効率よく接合材３９を溶融することができる。
【０１０１】
レーザー光Ｌの照射部位の移動速度、すなわち、描画速度は、１．０ｍｍ／秒以上、１０．０ｍｍ／秒以下であるのが好ましく、２．０ｍｍ／秒以上、７．０ｍｍ／秒以下であるのがより好ましい。これにより、接合材３９の溶融をより確実に行うことができる。
【０１０２】
また、レーザー光Ｌの照射時間は、１００秒以上、１０００秒以下であるのが好ましく、２００秒以上、５００秒以下であるのがより好ましい。これにより、接合材３９全体をより確実かつ迅速に溶融することができる。
【０１０３】
このようなレーザー照射により、接合材３９が加熱され溶融する。そして、冷却を行うことにより本体３０Ａとリッド３７とが接合される。この際、前述したように、本発明では、Ｃ２＜Ｃ１であるため、リッド３７の過剰な膨張、収縮を緩和することができ、リッド３７内に残る上記引張応力を抑制することができる。その結果、リッド３７にクラックが生じたりするのを防止または抑制することができる。
【０１０４】
以上説明したように、原子セル３は、開口３６０を有し、アルカリ金属原子が収容されている本体３０Ａと、接合材３９を介して開口３６０を塞ぐように本体３０Ａに接合されており、本体３０Ａの熱膨張係数よりも熱膨張係数が小さいリッド３７と、を含む。これにより、リッド３７の過剰な膨張、収縮を緩和することができ、リッド３７内に残る上記引張応力を抑制することができる。その結果、リッド３７にクラックが生じたりするのを防止または抑制することができる。
【０１０５】
また、原子発振器１は、発光素子１０２と、開口３６０を有し、アルカリ金属原子が収容されている本体３０Ａと、接合材３９を介して開口３６０を塞ぐように本体３０Ａに接合されており、本体３０Ａの熱膨張係数よりも熱膨張係数が小さいリッド３７と、を含む原子セル３と、原子セル３を通過した光を受光する受光素子２０２と、を含む。これにより、上記本発明の効果を享受しつつ、量子干渉効果を利用した原子発振器を得ることができる。
【０１０６】
＜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。
【０１０７】
図５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。
【０１０８】
図５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。
【０１０９】
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。
【０１１０】
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。
【０１１１】
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の特性を向上させることができる。
【０１１２】
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。
【０１１３】
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。
【０１１４】
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。
【０１１５】
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。
【０１１６】
以上、本発明の原子セルおよび原子発振器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、原子セルおよび原子発振器を構成する各部は、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。
【０１１７】
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。
【実施例】
【０１１８】
次に、本発明の具体的実施例について説明する。
［１］原子セルの製造
【０１１９】
（実施例１）
まず、図１〜図３に示すような本体３０Ａ、リッド３７および接合材３９を用意した。
本体３０Ａは、内部容積が１０００ｍｍ３であり、胴体部３６の外径が２．０ｍｍであり、胴体部３６の内径、すなわち、開口３６０の直径が１．０ｍｍであり、ガラス部分の体積が３１０ｍｍ３であった。
【０１２０】
また、本体３０Ａの構成材料は、ホウケイ酸ガラスであり、熱膨張係数が５１．５×１０−７／℃であった。
【０１２１】
リッド３７は、直径が２．０ｍｍであり、厚さが０．５ｍｍであり、体積が９．０ｍｍ３であった。また、リッド３７の構成材料は、ホウケイ酸ガラスであり、熱膨張係数が３２．５×１０−７／℃であった。
【０１２２】
なお、本体３０Ａおよびリッド３７の熱膨張係数の差異は、１９．０×１０−７／℃であった。
【０１２３】
接合材３９は、厚さが０．０１ｍｍであり、体積が０．０８ｍｍ３であった。また、接合材３９の構成材料は、ガラスフリットであり、熱膨張係数が６３×１０−７／℃であった。
【０１２４】
そして、本体３０Ａの開口３６０の縁部に接合材３９を配置し、その上にリッド３７を配置した。この状態で、図３に示す減圧チャンバー８０内に配置し、ピン８１３がリッド３７を押圧するようにセットした。
【０１２５】
次いで、減圧チャンバー８０内を減圧状態とし、窓部８１２およびリッド３７を順に介してレーザー光Ｌを接合材３９に照射した。なお、減圧チャンバー８０内の気圧は、１０−５Ｐａであった。また、レーザー光Ｌの光源強度は、５Ｗであり、レーザー光Ｌの波長は９８０ｎｍであり、描画速度は、３．０ｍｍ／秒であり、照射時間は、４．０分とした。
【０１２６】
その後、自然冷却を行い、本体３０Ａとリッド３７とが接合材３９を介して接合された実施例１の原子セルを得た。
【０１２７】
（実施例２〜６）
本体３０Ａ、またはリッド３７の条件を表１に示すように変更した以外は、前記実施例１と同様にして原子セルを製造した。実施例２、３、４、５、６は、いずれもＣ２＜Ｃ１を満たす。
【０１２８】
（比較例１）
本体３０Ａおよびリッド３７の条件を表１に示すように変更した以外は、前記実施例１と同様にして原子セルを製造した。比較例１の本体３０Ａおよびリッド３７の熱膨張係数はともに５３．０×１０−７／℃であり、Ｃ２＝Ｃ１である。
【０１２９】
［２］評価
顕微鏡を用いて倍率１００倍でリッド３７側の一方の面側からリッド３７を観察し、クラックの有無を確認した。
【０１３０】
Ａ：クラックが生じていなかった
Ｂ：クラックが生じていなかったが若干白色に変色が確認された
Ｃ：クラックが生じていた
これらの結果を表１にまとめて示す。
【０１３１】
【表１】
2020109778.tif 000003
【０１３２】
表１から明らかなように、Ｃ２＝Ｃ１を満たす各実施例ではリッド３７にクラックが生じるのを防止することができた。これに対し、Ｃ２＝Ｃ１である比較例１では、リッド３７にクラックが生じた。
【符号の説明】
【０１３３】
１…原子発振器、３…原子セル、３０Ａ…本体、３１…第１室、３１１…第１面、３１２…第２面、３１３…第３面、３２…第２室、３２１…先端部、３３…胴体部、３４…窓部、３５…窓部、３６…胴体部、３６０…開口、３７…リッド、３８…連通路、３９…接合材、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、７１…第１当接部、７２…第２当接部、８…第２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、８０…減圧チャンバー、８１…チャンバー本体、８２…スペーサー、８１１…排気口、８１２…窓部、８１３…ピン、１０１…ペルチェ素子、１０２…発光素子、１０３…温度センサー、２０２…受光素子、２０４…温度センサー、２１２…ペルチェ素子、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、Ｌ…レーザー光、ＬＬ…光、ＭＲ…補充用金属、Ｓ１…内部空間、Ｓ２…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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