(57)【要約】【課題】安価な原子発振器を構成する。【解決手段】原子共鳴器１０が発生する共鳴信号５４を増幅する増幅器１８と、所定の周波数の低周波信号ＬＷＶを出力する低周波位相変調信号発生器２１と、共鳴信号５４と低周波信号ＬＷＶとに基づき制御電圧ＶＣを出力する位相弁別器２０と、制御電圧ＶＣに基づき原子共鳴器１０が正常に動作しているか否かを示すアラーム信号ＡＬＭを出力するアラーム回路３０と、所定の電圧ＶＤを発生する電圧発生部３２と、アラーム信号ＡＬＭに基づき原子共鳴器１０が正常に動作している場合は制御電圧ＶＣを出力し、正常に動作していない場合は所定の電圧ＶＤを出力するスイッチ回路３４と、スイッチ回路３４の出力に基づき出力信号ＯＵＴの周波数が制御される電圧制御水晶発振器２３と、出力信号ＯＵＴと低周波信号ＬＷＶとに基づき逓倍及び合成したマイクロ波ＭＷＶを出力する周波数逓倍合成変調部２２と、を含む原子発振器１。【選択図】図１
2010192964.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力されるマイクロ波信号に基づき共鳴信号を出力する原子共鳴器と、
前記原子共鳴器が出力する共鳴信号を増幅する増幅器と、
所定の周波数の低周波信号を出力する低周波位相変調信号発生器と、
前記共鳴信号と前記低周波信号とに基づき制御電圧を出力する位相弁別器と、
前記制御電圧に基づき前記原子共鳴器が正常に動作しているか否かを示すアラーム信号を出力するアラーム回路と、
所定の電圧を発生する電圧発生部と、
前記アラーム信号に基づき前記原子共鳴器が正常に動作している場合は前記制御電圧を出力し、前記原子共鳴器が正常に動作していない場合は前記所定の電圧を出力するスイッチ回路と、
前記スイッチ回路の出力に基づき出力信号の周波数が制御される電圧制御水晶発振器と、
前記出力信号と前記低周波信号とに基づき逓倍及び合成した前記マイクロ波信号を出力する周波数逓倍合成変調部と、
を含む、
ことを特徴とする原子発振器。
【請求項２】
請求項１に記載の原子発振器において、前記電圧発生部は、電源電圧を抵抗分割して前記所定の電圧を発生することを特徴とする原子発振器。
【請求項３】
請求項１に記載の原子発振器において、前記電圧発生部は、前記原子共鳴器が正常に動作している場合の前記制御電圧の値を記憶する記憶部を含み、前記記憶部に記憶された前記制御電圧の値を前記所定の電圧として出力することを特徴とする原子発振器。
【請求項４】
請求項１に記載の原子発振器において、前記電圧発生部は、温度を検出する温度検出器と、前記温度検出器の出力値に基づき三次関数で前記所定の電圧を出力する三次関数発生回路と、を含むことを特徴とする原子発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、故障時にアラーム信号を出力する原子発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子発振器は、水晶発振器を越える高精度周波数を提供する装置として実用化されているが構成が複雑であり、広く普及させるためには小型化や低価格化が必須となっている。特に、原子発振器として実用化が進んでいるものは「受動型」と呼ばれる原子発振器であり、これは内部に水晶発振器を持ち、その出力信号を提供しつつ、内部に持つ原子共鳴部に水晶発振器の周波数を同期制御しているものを指す。「受動型」に対し、「能動型」は原子の発する周波数成分をそのまま増幅する水素メーザーの様な装置が該当する。
【０００３】
受動型原子発振器は、可能な限り高精度の信号を提供する目的で、従来は恒温槽入り水晶発振器（以下ＯＣＸＯ：Oven Controlled Xtal Oscillator）を用いていた。ＯＣＸＯは、水晶振動子を温度依存性がなくなる「谷」または「山」の頂点温度に保つ制御をしているため、理論上水晶振動子の温度特性がなくなる。また、水晶素板も専用に育成された高Ｑや高次オーバートーンのものを使用しているため信号純度は極めて高い。これらの技術による原子発振器は、通信、放送、計測等様々な分野で実用化されている。
【０００４】
しかしながら、ＯＣＸＯは、水晶発振器の中では最上位機種であるため、安価な原子発振器では一般的な電圧制御水晶発振器（以下ＶＣＸＯ：Voltage Controlled Xtal Oscillator）も使われる様になってきた。ＶＣＸＯは、ＯＣＸＯの様な恒温槽を持たないので、温度特性を初めとする諸特性は劣るが、小型、低価格、低電力である。
【０００５】
例えば、特許文献１に示すような受動型原子発振器は、内部の水晶発振器を原子共鳴に周知のＰＬＬ（Phase-locked loop）技術を用いて位相同期させているため、通常動作時の出力周波数は原子共鳴の周波数精度で提供され、内部の水晶発振器がＯＣＸＯでもＶＣＸＯでも大差ないので、近年広く普及し始めている。
【０００６】
一方、この様な受動型原子発振器が何らかの故障や寿命により正常動作を損なう事故が稀にある。殆どの原子発振器は、これらの情報を出力する「アラーム」機能を有しているので、その状態を搭載装置の制御系に知らせることができる。装置側は、「アラーム」信号を受けて装置を停止したり、電波を止めるなどの対応ができるが、原子発振器が通信網の基幹系に使われていたり、放送自体の周波数源に使われていたり、更にはロケットや衛星の制御に使われている場合もあり、単に停止することが許されない場合も少なくない。そのような装置では、予備機を用意するのも通例であるが、それ自体確率的な回避策であると共にアラーム回路の故障までも想定すると完全な対策とは言えない。また、システム上は予備機へ切り替える際の波形位相の連続性を如何に維持するかなど益々複雑な問題となる。例えば、デジタル通信ではアナログ通信と異なり、高速データが一定のタイミングで大量に送受されている。中継器の信号の位相が突然不連続になると、重大なエラーが発生し、データを再現できなくなる危険もある。
【０００７】
図５に、一般的な受動型ルビジウム原子発振器５（以下、原子発振器）の系統図を示す。原子発振器５全体の動作原理は割愛するが、電圧制御水晶発振器２３の出力信号ＯＵＴの周波数を周波数逓倍合成変調部２２により逓倍及び合成した共鳴周波数（ルビジウムの場合は約６．８３４ＧＨｚ）のマイクロ波ＭＷＶを作っている。また、位相同期の為に低周波位相変調信号発生器２１が発生する１００Ｈｚ程度の低周波信号ＬＷＶでマイクロ波ＭＷＶに位相変調を施し、マイクロ波キャビィティー１４の放射用アンテナ１５に供給している。マイクロ波キャビィティー１４内のＲｂガスセル１３では、気化したルビジウム原子がＲｂランプ１２が発生する励起光５２により励起しているので、供給したマイクロ波ＭＷＶが基底準位間のエネルギー差と一致する周波数の時に誘導放出が生じ、ルビジウム原子は再び光エネルギーを吸収して励起する。このとき、結果的にフォトセンサー１７に到達する光量５３が減少する。位相弁別器２０は、低周波成分を検波してフォトセンサー１７に到達する光量が最も少なくなる周波数に制御電圧ＶＣを制御するものである。
【０００８】
この同期制御が完了すると、電圧制御水晶発振器２３への制御電圧ＶＣがほぼ直流となり落ち着く。アラーム回路３０は、制御電圧ＶＣを検出して正常動作しているか否かを外部にアラーム信号ＡＬＭとして出力する。一方、何らかの故障等が発生した場合、電圧制御水晶発振器２３の出力信号ＯＵＴの周波数は原子共鳴に同期することができず、一般的には可変周波数範囲の上限か下限のどちらかまで張り付いてしまう。また、アラーム回路３０は電圧制御水晶発振器２３の制御電圧ＶＣを監視しているので異常値であることが明らかとなれば異常動作であることを外部にアラーム信号ＡＬＭとして出力することができる。
【０００９】
アラーム時の電圧制御水晶発振器２３の出力信号ＯＵＴの周波数は、可変範囲の上限か下限のどちらかになるが、前述のようにＯＣＸＯの周波数安定度と一般的なＶＣＸＯの周波数安定度は著しく異なり、原子発振器５内部の位相同期はそれぞれの周波数を原子共鳴に同期させる必要があるので、周波数の電圧可変範囲は安定度に応じて異なる。その一例を図６に示す。ここで、アラーム発生時（異常時）に原子発振器５が出力する周波数について考えると、ＶＣＸＯを用いた場合は本来出力されるべき周波数よりも著しく異常な周波数を出力してしまうことがわかる。これは、予備機への切り替え機能を持たないシステムなどではしばしば問題となる。
【００１０】
この問題を解決するために、例えば特許文献２には、この問題に着目し、ＶＣＸＯを使用せず、周波数固定の水晶発振器（以下ＸＯ：Xtal Oscillator）を用いる方法が記載されている。周波数可変については、ダイレクト・デジタル・シンセサイザー（以下ＤＤＳ：Direct Digital Synthesizers）を用い、ＤＤＳの基準信号にＸＯの周波数信号を用い、周波数可変はＤＤＳに対する制御データを可変にすることで実現している。この方法を用いれば、ＶＣＸＯ使用時の様にアラーム発生時に異常な周波数を出力することなく、予測可能な周波数付近の信号を出力することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００７−３３６１３６号公報（図５）
【特許文献２】特開２００２−２７１１９７号公報（図１）
【特許文献３】特開２００５−１０９６１９号公報（段落番号００１７）
【特許文献４】特開２００５−３０３６４１号公報（段落番号００１９）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、従来の方法のＤＤＳは任意の周波数信号を生成できる実用的なＩＣであるが、高機能なため高価になるという課題がある。同様に高機能故に制御回路のＩＣ化を考えるにしても、任意のプロセスで自在に構成することは現実的でない。原子発振器の生産量を考えても、この部分のみ市販のデバイスを購入するのが現実的な設計となる。更にＤＤＳにも欠点があり、ＤＡＣ（Digital to Analog Converter）の分解による量子化誤差（雑音）、位相切捨て誤差と言った特性劣化要因も含まれていることが、特許文献３や特許文献４でも指摘されている。特に、この特性劣化は原子発振器の異常時のみならず、正常動作時にも悪影響を及ぼすので、最上位発振器である原子発振器としては致命的な欠点になる。
【００１３】
特許文献４では、これらの特性劣化を緩和する技術を提案しているが、この場合もＤＤＳを採用することに変わりはなく、特性劣化は緩和されたとしてもデバイスのコストなど特殊性を払拭することは出来ていない。また、ＤＤＳは外部から入力するデータを可変することにより周波数可変が可能になるが、即ちＤＤＳを使用するために制御データ発生機能も具備しなければならないのは、原子発振器全体の構成負荷を重くするものとなる。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【００１５】
［適用例１］
入力されるマイクロ波信号に基づき共鳴信号を出力する原子共鳴器と、前記原子共鳴器が出力する共鳴信号を増幅する増幅器と、所定の周波数の低周波信号を出力する低周波位相変調信号発生器と、前記共鳴信号と前記低周波信号とに基づき制御電圧を出力する位相弁別器と、前記制御電圧に基づき前記原子共鳴器が正常に動作しているか否かを示すアラーム信号を出力するアラーム回路と、所定の電圧を発生する電圧発生部と、前記アラーム信号に基づき前記原子共鳴器が正常に動作している場合は前記制御電圧を出力し、前記原子共鳴器が正常に動作していない場合は前記所定の電圧を出力するスイッチ回路と、前記スイッチ回路の出力に基づき出力信号の周波数が制御される電圧制御水晶発振器と、前記出力信号と前記低周波信号とに基づき逓倍及び合成した前記マイクロ波信号を出力する周波数逓倍合成変調部と、を含む、ことを特徴とする原子発振器。
【００１６】
この構成によれば、アラーム信号に基づき原子共鳴器が正常に動作していない場合はスイッチ回路によって電圧制御水晶発振器に供給する制御電圧を電圧発生部が発生する所定の電圧に切り替えることができるので、異常発生時にも出力信号を安定して確保することができ、さらに、スイッチ回路と電圧発生部を追加するだけなので低コストでＩＣ化することができる。また、ＤＤＳを含んで原子発振器を構成した場合にＤＤＳが発生する雑音などの影響を受ける心配もなくなる。
【００１７】
［適用例２］
上記に記載の原子発振器において、前記電圧発生部は、電源電圧を抵抗分割して前記所定の電圧を発生することを特徴とする原子発振器。
【００１８】
この構成によれば、所望の出力信号を得るための電圧を電源電圧の抵抗分割により得ることができるので、異常発生時にも電圧制御水晶発振器を安定して動作させることができる。
【００１９】
［適用例３］
上記に記載の原子発振器において、前記電圧発生部は、前記原子共鳴器が正常に動作している場合の前記制御電圧の値を記憶する記憶部を含み、前記記憶部に記憶された前記制御電圧の値を前記所定の電圧として出力することを特徴とする原子発振器。
【００２０】
この構成によれば、正常に動作している場合の制御電圧を記憶させておくことにより、異常が発生した場合も正常時と同等の出力信号を得ることができる。
【００２１】
［適用例４］
上記に記載の原子発振器において、前記電圧発生部は、温度を検出する温度検出器と、前記温度検出器の出力値に基づき三次関数で前記所定の電圧を出力する三次関数発生回路と、を含むことを特徴とする原子発振器。
【００２２】
この構成によれば、電圧制御水晶発振器が温度特性を相殺するように三次関数発生回路によって制御電圧を発生させ、温度補償することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】第１実施形態に係る原子発振器の構成を示す構成図。
【図２】第１実施形態に係る電圧発生部の構成を示す回路図。
【図３】変形例１に係る電圧発生部の構成を示すブロック図。
【図４】変形例２に係る電圧発生部の構成を示すブロック図。
【図５】従来の原子発振器の構成を示すブロック図。
【図６】ＶＣＸＯとＯＣＸＯの周波数の電圧可変範囲を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、原子発振器の実施形態について図面に従って説明する。
【００２５】
（第１実施形態）
＜原子発振器の構成＞
先ず、第１実施形態に係る原子発振器の構成について、図１を参照して説明する。図１は、第１実施形態に係る原子発振器の構成を示す構成図である。
【００２６】
図１に示すように、原子発振器１は、原子共鳴器１０と、増幅器１８と、低周波位相変調信号発生器２１と、位相弁別器２０と、アラーム回路３０と、電圧発生部３２と、スイッチ回路３４と、電圧制御水晶発振器２３と、周波数逓倍合成変調部２２と、から構成されている。
【００２７】
原子共鳴器１０は、ランプ励起部１１と、ルビジウム（Ｒｂ：Rubidium）ランプ１２と、Ｒｂガスセル１３と放射用アンテナ１５を含むマイクロ波キャビィティー１４と、フォトセンサー１７と、から構成されている。Ｒｂランプ１２は、ランプ励起部１１が出力する電圧５１に基づき励起光５２を発生する。放射用アンテナ１５は、周波数逓倍合成変調部２２が出力するマイクロ波ＭＷＶに基づきＲｂガスセル１３に放射する。Ｒｂガスセル１３には気化したルビジウム原子が封印され、励起光５２により励起する。気化したルビジウム原子は、供給したマイクロ波ＭＷＶが基底準位間のエネルギー差と一致する周波数の時に誘導放出５３が生じ、ルビジウム原子は再び光エネルギーを吸収して励起する。フォトセンサー１７は、Ｒｂガスセル１３からの誘導放出５３を電圧５４に変換する。
【００２８】
増幅器１８は、フォトセンサー１７が出力した電圧５４を増幅し、増幅電圧５５を位相弁別器２０に出力する。低周波位相変調信号発生器２１は、１００Ｈｚ程度の低周波信号ＬＷＶを出力する。位相弁別器２０は、増幅電圧５５を低周波信号ＬＷＶで位相同期させ、制御電圧ＶＣを出力する。アラーム回路３０は、位相弁別器２０が出力する制御電圧ＶＣを検出して原子共鳴器１０が正常動作しているか否かをアラーム信号ＡＬＭとして外部に出力する。例えば、正常動作時のアラーム信号ＡＬＭをＬレベル、異常動作時のアラーム信号ＡＬＭをＨレベルとする。電圧発生部３２は、異常時に電圧制御水晶発振器２３が所望の出力信号ＯＵＴを出力するための所定の電圧ＶＤを発生する。
【００２９】
スイッチ回路３４は、ａ端子に制御電圧ＶＣが入力され、ｂ端子に所定の電圧ＶＤが入力され、ｃ端子からアラーム信号ＡＬＭにより選択された電圧６２が出力される。スイッチ回路３４は、アラーム信号ＡＬＭがＬレベルの場合にａ端子とｃ端子が接続状態になり、アラーム信号ＡＬＭがＨレベルの場合にａ端子とｂ端子が接続状態になる。すなわち、正常動作時には電圧制御水晶発振器２３に制御電圧ＶＣが入力され、異常動作時には電圧制御水晶発振器２３に所定の電圧ＶＤが入力される。スイッチ回路３４は、一般的なアナログスイッチの他、トランジスター等の組合せでも容易に実現可能で、安価に実現できるほか、例えば回路を専用ＩＣ化しようとする場合にも何ら障害となるものではない。
【００３０】
電圧制御水晶発振器２３は、スイッチ回路３４のｃ端子から出力される電圧６２で出力信号ＯＵＴの周波数が制御される。周波数逓倍合成変調部２２は、出力信号ＯＵＴを低周波信号ＬＷＶに基づき逓倍及び合成しマイクロ波ＭＷＶを出力する。
【００３１】
次に、電圧発生部の構成について図２を参照して説明する。図２は、電圧発生部の構成を示す回路図である。図２に示すように、電圧発生部３２は、電源電圧ＶＤＤと接地電位ＧＮＤとの間を抵抗Ｒ１，Ｒ２により抵抗分割して得られる所定の電圧ＶＤを出力する。
【００３２】
以上に述べた本実施形態によれば、以下の効果が得られる。
【００３３】
本実施形態では、アラーム信号ＡＬＭに基づき原子共鳴器１０が正常に動作していない場合はスイッチ回路３４によって電圧制御水晶発振器２３に供給する制御電圧ＶＣを電圧発生部３２が発生する所定の電圧ＶＤに切り替えることができるので、異常発生時にも出力信号ＯＵＴを安定して確保することができ、さらに、スイッチ回路３４と電圧発生部３２を追加するだけなので低コストでＩＣ化することができる。また、ＤＤＳを含んで原子発振器を構成した場合にＤＤＳが発生する雑音などの影響を受ける心配もなくなる。
【００３４】
以上、原子発振器の実施形態を説明したが、こうした実施の形態に何ら限定されるものではなく、趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることができる。以下、変形例を挙げて説明する。
【００３５】
（変形例１）原子発振器の変形例１について説明する。前記第１実施形態では、図２に示すような電圧発生部３２で構成するように説明したが、図３に示すような構成にしてもよい。図３は、変形例１に係る電圧発生部の構成を示すブロック図である。図３に示すように、変形例１に係る電圧発生部３２０は、ＡＤＣ（Analog Digital Converter）３２１とＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory）３２２とＤＡＣ（Digital to Analog Converter）３２３とから構成されている。ＡＤＣ３２１は、位相弁別器２０が出力する制御電圧ＶＣをデジタル信号に変換し、ＥＥＰＲＯＭ３２２に記憶させる。ＤＡＣ３２３は、ＥＥＰＲＯＭ３２２に記憶させたデジタル信号を再びアナログ信号に変換して所定の電圧ＶＤとして出力する。この構成によれば、正常に動作している場合の制御電圧ＶＣを記憶させておくことにより、異常が発生した場合も正常時と同等の出力信号ＯＵＴを得ることができる。
【００３６】
（変形例２）原子発振器の変形例２について説明する。前記第１実施形態では、図２に示すような電圧発生部３２で構成するように説明したが、図４に示すような構成にしてもよい。図４（Ａ）は、変形例２に係る電圧発生部の構成を示すブロック図である。電圧制御水晶発振器２３は、図４（Ｂ）に示すように温度に対して三次関数の波形で変化する。電圧制御水晶発振器２３の温度に対する影響を打ち消すためには、電圧制御特性が正極性（電圧増で周波数増）ならば、図４（Ｃ）に示すような図４（Ｂ）の波形を打ち消す制御電圧を出力すればよい。図４（Ａ）に示すように、電圧発生部３２５は、電源電圧ＶＤＤと接地電位ＧＮＤとの間に直列に接続されたサーミスター３２６と２個のダイオード３２７，３２８と、三次関数発生回路３２９と、から構成される。サーミスター３２６とダイオード３２７との間の電圧Ｖ１から三次関数発生回路３２９により図４（Ｃ）に示すような制御電圧に基づき所定の電圧ＶＤを出力する。この構成によれば、電圧制御水晶発振器２３が温度補償型の場合でも温度特性を相殺するように三次関数発生回路３２９によって所定の電圧ＶＤを発生させることができる。
【符号の説明】
【００３７】
１…原子発振器、１０…原子共鳴器、１１…ランプ励起部、１２…Ｒｂランプ、１３…Ｒｂガスセル、１４…マイクロ波キャビィティー、１５…放射用アンテナ、１７…フォトセンサー、１８…増幅器、２０…位相弁別器、２１…低周波位相変調信号発生器、２２…周波数逓倍合成変調部、２３…電圧制御水晶発振器、３０…アラーム回路、３２…電圧発生部、３４…スイッチ回路、３２０…電圧発生部、３２１…ＡＤＣ、３２２…ＥＥＰＲＯＭ、３２３…ＤＡＣ、３２５…電圧発生部、３２６…サーミスター、３２７，３２８…ダイオード、３２９…三次関数発生回路。
【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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