(57)【要約】【課題】簡易な構成で、優れた周波数温度特性を有する原子発振器を提供すること、また、かかる原子発振器を備える信頼性に優れた電子機器および移動体を提供すること。【解決手段】本発明の原子発振器１は、金属原子が封入されているガスセル２と、金属原子を励起する光を出射する光出射部３と、金属原子を透過した光を検出する光検出部５と、周波数温度特性における周波数の変動幅が小さくなる方向に電流を流して通電することにより発熱してガスセル２を加熱するヒーター６と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属原子が封入されているガスセルと、
前記金属原子を励起する光を出射する光出射部と、
前記金属原子を通過した前記光を検出する光検出部と、
前記ガスセルを加熱する加熱部と、
前記加熱部と電気的に直列に接続され、磁場を発生させる磁場発生部と、
を備えることを特徴とする原子発振器。
【請求項２】
前記加熱部は周波数温度特性における周波数の変動幅が小さくなる方向に通電している請求項１に記載の原子発振器。
【請求項３】
前記ガスセルは、前記光を通過する１対の窓部を有し、
前記加熱部は前記１対の窓部にそれぞれ配置され、
前記１対の加熱部から生じる磁場は、前記ガスセル内で互いに弱め合う請求項１または２に記載の原子発振器。
【請求項４】
前記磁場発生部は、コイルを含んでいる請求項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】
前記金属をゼーマン分裂させる磁場を発生させるゼーマン分裂用磁場発生部を備え、
前記磁場発生部が発生する磁場の方向は、前記ガスセル内で、前記ゼーマン分裂をさせる磁場の方向に対して平行な方向成分を含んでいる請求項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】
前記ゼーマン分裂をさせる磁場と、前記加熱部が発生する磁場とは、前記ガスセル内で互いに強め合う請求項５に記載の原子発振器。
【請求項７】
前記ゼーマン分裂をさせる磁場と、前記加熱部が発生する磁場とは、前記ガスセル内で互いに弱め合う請求項５に記載の原子発振器。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれか１項に記載の原子発振器を備えることを特徴とする電子機器。
【請求項９】
請求項１ないし７のいずれか１項に記載の原子発振器を備えることを特徴とする移動体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子発振器、電子機器および移動体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
長期的に高精度な発振特性を有する発振器として、ルビジウム、セシウム等のアルカリ金属の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。
一般に、原子発振器の動作原理は、光およびマイクロ波による二重共鳴現象を利用した方式と、波長の異なる２種類の光による量子干渉効果（ＣＰＴ：Coherent Population Trapping）を利用した方式とに大別される。
【０００３】
これらの方式の原子発振器は、いずれも、例えば、特許文献１に開示されているように、アルカリ金属を緩衝ガスとともに封入したガスセルと、ガスセル内のアルカリ金属を励起する光を出射する光出射部と、ガスセルを透過した光を検出する光検出部と、ガスセルを加熱するヒーターとを備える。
このような原子発振器では、通常、ガスセル内の温度が一定となるように、ヒーターへ供給される電流が制御される。
【０００４】
従来の原子発振器では、外気温度の変化に伴って、ヒーターに流れる電流が変動すると、ヒーターから生じる磁場の変動により、ガスセル内の磁場の強度が変動し、ガスセル中のアルカリ金属原子の基底準位間のエネルギー差に相当する周波数が変動してしまう。
このような周波数の変動は、原子発振器の周波数温度特性（温度変化に対する発振周波数の変化）に影響する。
【０００５】
そこで、ガスセル内の磁場の強度の変動を小さくすることが考えられる。
しかし、前述したガスセル内の磁場の強度変化のほかに、ガスセル内の緩衝ガスの種類や量や、原子発振器を構成する回路の温度特性等も、原子発振器の周波数温度特性に対して影響を与える。そのため、ガスセル内の磁場の強度の変動を単に小さくしても、原子発振器の周波数温度特性の周波数の変動幅を小さくすることはできない。
特に、近年、原子発振器の小型化に伴い、原子発振器を構成する各部が外気温度の変化の影響を受けやすく、ガスセル内の緩衝ガスの種類や量や、原子発振器を構成する回路の温度特性等が原子発振器の周波数温度特性に与える影響が大きくなるため、原子発振器の周波数温度特性の周波数の変動幅を小さくすることは難しい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第６３２０４７２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、簡易な構成で、優れた周波数温度特性を有する原子発振器を提供すること、また、かかる原子発振器を備える信頼性に優れた電子機器および移動体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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。
［適用例１］
本適用例の原子発振器は、金属原子が封入されているガスセルと、
前記金属原子を励起する光を出射する光出射部と、
前記金属原子を通過した前記光を検出する光検出部と、
前記ガスセルを加熱する加熱部と、
前記加熱部と電気的に直列に接続され、磁場を発生させる磁場発生部と、
を備えることを特徴とする。
このような原子発振器によれば、磁場発生部の磁場の強度が温度変化に伴って変動するので、その磁場の温度変化に伴う強度変化を原子発振器の周波数温度特性の調整に利用することができる。また、加熱部への通電のための配線を磁場発生部として有効利用することができるので、構成を簡易なものとすることができる。
【０００９】
［適用例２］
本適用例の原子発振器では、前記加熱部は周波数温度特性における周波数の変動幅が小さくなる方向に通電していることが好ましい。
これにより、加熱部から生じる磁場の温度変化に伴う強度変化を原子発振器の周波数温度特性の調整に有効利用して、原子発振器の周波数温度特性を優れたものとすることができる。したがって、簡易な構成で、優れた周波数温度特性を有する原子発振器を提供することができる。
【００１０】
［適用例３］
本適用例の原子発振器では、前記ガスセルは、前記光を通過する１対の窓部を有し、
前記加熱部は前記１対の窓部にそれぞれ配置され、
前記１対の加熱部から生じる磁場は、前記ガスセル内で互いに弱め合うことが好ましい。
これにより、ガスセルの窓部に金属原子が結露するのを防止することができる。その結果、原子発振器の特性を長期にわたり優れたものとすることができる。また、このようにガスセルの窓部に加熱部が設けられた構成では、加熱部やその加熱部への通電のための配線とガスセル内の金属原子との距離が短い。そのため、ガスセル内の金属原子は、通電により加熱部や配線から生じた磁場の影響を受けやすい。すなわち、加熱部から生じた磁場の強度変化が原子発振器の周波数温度特性に与える影響が大きい。したがって、加熱部から生じる磁場を周波数温度特性の調整に効率的に利用することができる。
【００１１】
また、１対の加熱部から生じる磁場がガスセル内で互いに弱め合うことにより、加熱部から生じる磁場の温度変化に伴う強度変化の幅を小さくすることができる。そのため、加熱部から生じる磁場による原子発振器の周波数温度特性の調整幅（調整量）を小さくすることができる。したがって、ガスセル内のアルカリ金属に作用する磁場強度の変動以外の要素に起因する周波数温度特性の周波数の変動幅が小さい場合、原子発振器の周波数温度特性の周波数の変動幅を小さくすることができる。
【００１２】
［適用例４］
本適用例の原子発振器では、前記磁場発生部は、コイルを含んでいることが好ましい。
これにより、磁場発生部の磁場を大きくすることができる。そのため、かかる磁場による原子発振器の周波数温度特性の調整幅を大きくすることができる。
［適用例５］
本適用例の原子発振器では、前記金属をゼーマン分裂させる磁場を発生させるゼーマン分裂用磁場発生部を備え、
前記磁場発生部が発生する磁場の方向は、前記ガスセル内で、前記ゼーマン分裂をさせる磁場の方向に対して平行な方向成分を含んでいることが好ましい。
これにより、量子干渉装置の周波数精度を高めることができる。また、磁場発生部の磁場による原子発振器の周波数温度特性の調整幅を大きくすることができる。
【００１３】
［適用例６］
本適用例の原子発振器では、前記ゼーマン分裂をさせる磁場と、前記加熱部が発生する磁場とは、前記ガスセル内で互いに強め合うことが好ましい。
これにより、加熱部から生じる磁場および磁場発生部の磁場の温度変化に伴う強度変化の幅を大きくすることができる。そのため、加熱部から生じる磁場および磁場発生部の磁場による原子発振器の周波数温度特性の調整幅（調整量）を大きくすることができる。したがって、ガスセル内のアルカリ金属に作用する磁場強度の変動以外の要素に起因する周波数温度特性の周波数の変動幅が大きい場合、原子発振器の周波数温度特性の周波数の変動幅を小さくすることができる。
【００１４】
［適用例７］
本適用例の原子発振器では、前記ゼーマン分裂をさせる磁場と、前記加熱部が発生する磁場とは、前記ガスセル内で互いに弱め合うことが好ましい。
これにより、加熱部から生じる磁場および磁場発生部の磁場の温度変化に伴う強度変化の幅を小さくすることができる。そのため、加熱部から生じる磁場および磁場発生部の磁場による原子発振器の周波数温度特性の調整幅（調整量）を小さくすることができる。したがって、ガスセル内のアルカリ金属に作用する磁場強度の変動以外の要素に起因する周波数温度特性の周波数の変動幅が小さい場合、原子発振器の周波数温度特性の周波数の変動幅を小さくすることができる。
【００１５】
［適用例８］
本適用例の電子機器は、本適用例の原子発振器を備えることを特徴とする。
これにより、信頼性に優れた電子機器を提供することができる。
［適用例９］
本適用例の移動体は、本適用例の原子発振器を備えることを特徴とする。
これにより、信頼性に優れた移動体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１実施形態に係る原子発振器（量子干渉装置）を示す概略図である。
【図２】図１に示す原子発振器のガスセル内におけるアルカリ金属のエネルギー状態を説明するための図である。
【図３】図１に示す原子発振器の光出射部および光検出部について、光出射部からの２つの光の周波数差と、光検出部での検出強度との関係を示すグラフである。
【図４】図１に示す原子発振器のガスセル、ヒーター、第１磁場発生部および第２磁場発生部を示す縦断面図である。
【図５】図１に示す原子発振器のガスセル、ヒーター、第１磁場発生部および第２磁場発生部を示す横断面図である。
【図６】図５に示すヒーター、第１磁場発生部および第２磁場発生部からの磁場（ヒーターに第１方向の電流を流した場合の磁場）を説明するための図である。
【図７】図５に示すヒーター、第１磁場発生部および第２磁場発生部からの磁場（ヒーターに第２方向の電流を流した場合の磁場）を説明するための図である。
【図８】（ａ）は、外気温度とヒーター電流との関係を示すグラフ、（ｂ）は、外気温度とガスセル内の磁場強度との関係を示すグラフである。
【図９】ガスセル内の磁場強度と光出射部からの２つの光の周波数差との関係を示すグラフである。
【図１０】外気温度と光出射部からの２つの光の周波数差との関係を示すグラフである。
【図１１】図１に示す原子発振器の周波数温度特性の一例を示す図である。
【図１２】図１に示す原子発振器の周波数温度特性の他の例を示す図である。
【図１３】図１に示す原子発振器の変形例１を説明するための図である。
【図１４】図１に示す原子発振器の変形例２を説明するための図である。
【図１５】図１に示す原子発振器の変形例３を説明するための図である。
【図１６】本発明の第２実施形態に係る原子発振器のガスセル、ヒーター、第１磁場発生部および第２磁場発生部を示す縦断面図である。
【図１７】本発明の第３実施形態に係る原子発振器のガスセル、ヒーター、第１磁場発生部および第２磁場発生部を示す縦断面図である。
【図１８】図１７に示すヒーター、第１磁場発生部および第２磁場発生部からの磁場（ヒーターに第１方向の電流を流した場合の磁場）を説明するための図である。
【図１９】図１７に示す原子発振器の変形例を説明するための図である。
【図２０】ＧＰＳ衛星を利用した測位システムに本発明の電子機器を用いた場合の概略構成を示す図である。
【図２１】本発明の原子発振器を用いたクロック伝送システムの一例を示す概略構成図である。
【図２２】本発明の移動体の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の原子発振器、電子機器および移動体を添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
１．原子発振器
まず、本発明の原子発振器について説明する。
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る原子発振器（量子干渉装置）を示す概略図である。また、図２は、図１に示す原子発振器のガスセル内におけるアルカリ金属のエネルギー状態を説明するための図、図３は、図１に示す原子発振器の光出射部および光検出部について、光出射部からの２つの光の周波数差と、光検出部での検出強度との関係を示すグラフである。また、図４は、図１に示す原子発振器のガスセル、ヒーター、第１磁場発生部および第２磁場発生部を示す縦断面図、図５は、図１に示す原子発振器のガスセル、ヒーター、第１磁場発生部および第２磁場発生部を示す横断面図である。
【００１８】
なお、図４〜図７では、説明の便宜上、互いに直交する３つの軸として、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸を図示しており、その図示された各矢印の先端側を「＋（プラス）」、基端側を「−（マイナス）」とする。また、以下では、説明の便宜上、Ｘ軸に平行な方向を「Ｘ軸方向」、Ｙ軸に平行な方向を「Ｙ軸方向」、Ｚ軸に平行な方向を「Ｚ軸方向」という。
図１に示す原子発振器１は、量子干渉効果を利用した原子発振器である。
【００１９】
この原子発振器１は、図１に示すように、ガスセル２と、光出射部３と、光学部品４１、４２、４３、４４と、光検出部５と、ヒーター６と、温度センサー７と、第１磁場発生部８（ゼーマン分裂用磁場発生部）と、第２磁場発生部９（磁場発生部）と、制御部１０とを備える。
また、原子発振器１は、シールド２０を備える（図４および図５参照）。
【００２０】
まず、原子発振器１の原理を簡単に説明する。
原子発振器１では、ガスセル２内に、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（金属原子）が封入されている。
アルカリ金属は、図２に示すように、３準位系のエネルギー準位を有しており、エネルギー準位の異なる２つの基底状態（基底状態１、２）と、励起状態との３つの状態をとり得る。ここで、基底状態１は、基底状態２よりも低いエネルギー状態である。
【００２１】
このようなガス状のアルカリ金属に対して周波数の異なる２種の共鳴光１、２を前述したようなガス状のアルカリ金属に照射すると、共鳴光１の周波数ω１と共鳴光２の周波数ω２との差（ω１−ω２）に応じて、共鳴光１、２のアルカリ金属における光吸収率（光透過率）が変化する。
そして、共鳴光１の周波数ω１と共鳴光２の周波数ω２との差（ω１−ω２）が基底状態１と基底状態２とのエネルギー差に相当する周波数に一致したとき、基底状態１、２から励起状態への励起がそれぞれ停止する。このとき、共鳴光１、２は、いずれも、アルカリ金属に吸収されずに透過する。このような現象をＣＰＴ現象または電磁誘起透明化現象（ＥＩＴ：Electromagnetically Induced Transparency）と呼ぶ。
光出射部３は、ガスセル２に向けて、前述したような周波数の異なる２種の光（共鳴光１および共鳴光２）を出射する。
【００２２】
ここで、例えば、共鳴光１の周波数ω１を固定し、共鳴光２の周波数ω２を変化させていくと、共鳴光１の周波数ω１と共鳴光２の周波数ω２との差（ω１−ω２）が基底状態１と基底状態２とのエネルギー差に相当する周波数ω０に一致したとき、光検出部５の検出強度は、図３に示すように、急峻に上昇する。このような急峻な信号をＥＩＴ信号と呼ぶ。このＥＩＴ信号は、アルカリ金属の種類によって決まった固有値をもっている。したがって、このようなＥＩＴ信号を基準として用いることにより、高精度な発振器を実現することができる。
また、前述した周波数ω０は、アルカリ金属に作用する磁場の強度によって変化する（図９参照）。なお、この点については、後述する原子発振器１の周波数温度特性の説明とともに、後に詳述する。
【００２３】
以下、原子発振器１の各部を順次詳細に説明する。
［ガスセル］
ガスセル２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。
図４に示すように、ガスセル２は、柱状の貫通孔を有する本体部２１と、その貫通孔の両開口を封鎖する１対の窓部２２、２３とを有する。これにより、前述したようなアルカリ金属が封入される内部空間Ｓが形成される。
【００２４】
ここで、ガスセル２の各窓部２２、２３は、前述した光出射部３からの励起光に対する透過性を有している。そして、一方の窓部２２は、ガスセル２内へ励起光ＬＬが入射する入射側窓部であり、他方の窓部２３は、ガスセル２内から励起光ＬＬが出射する出射側窓部である。
また、窓部２２、２３は、それぞれ、板状をなし、その板面が励起光ＬＬの軸ａに対して垂直となるように設置されている。
【００２５】
このようなガスセル２の窓部２２、２３を構成する材料としては、前述したような励起光に対する透過性を有していれば、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。
また、ガスセル２の本体部２１を構成する材料は、特に限定されず、金属材料、樹脂材料等であってもよく、窓部２２、２３と同様にガラス材料、水晶等であってもよい。
【００２６】
そして、各窓部２２、２３は、本体部２１に対して気密的に接合されている。これにより、ガスセル２の内部空間Ｓを気密空間とすることができる。
ガスセル２の本体部２１と窓部２２、２３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、接着剤による接合方法、直接接合法、陽極接合法等を用いることができる。
また、このようなガスセル２は、ヒーター６により、例えば、７０℃程度に温度調節される。
【００２７】
［光源］
光出射部３は、ガスセル２中のアルカリ金属原子を励起する励起光ＬＬを出射する機能を有する。
より具体的には、光出射部３は、励起光ＬＬとして、前述したような周波数の異なる２種の光（共鳴光１および共鳴光２）を出射するものである。
【００２８】
共鳴光１は、ガスセル２内のアルカリ金属を前述した基底状態１から励起状態へ励起し得るものである。一方、共鳴光２は、ガスセル２内のアルカリ金属を前述した基底状態２から励起状態へ励起し得るものである。
また、励起光ＬＬの軸ａは、ガスセル２内においてＹ軸方向に平行である。
この光出射部３としては、前述したような励起光を出射し得るものであれば、特に限定されないが、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。
このような光出射部３は、後述する制御部１０の励起光制御部１２に接続され、光検出部５の検出結果に基づいて駆動制御される（図１参照）。
また、このような光出射部３は、図示しない温度調節素子（発熱抵抗体、ペルチェ素子等）により、例えば、３０℃程度に温度調節される。
【００２９】
［光学部品］
複数の光学部品４１、４２、４３、４４は、それぞれ、前述した光出射部３とガスセル２との間における励起光ＬＬの軸ａ上に設けられている。
また、光出射部３側からガスセル２側へ、光学部品４１、光学部品４２、光学部品４３、光学部品４４の順に配置されている。
【００３０】
光学部品４１は、レンズである。これにより、励起光ＬＬを無駄なくガスセル２へ照射することができる。
また、光学部品４１は、励起光ＬＬを平行光とする機能を有する。これにより、励起光ＬＬがガスセル２の内壁で反射するのを簡単かつ確実に防止することができる。そのため、ガスセル２内での励起光の共鳴を好適に生じさせ、その結果、原子発振器１の発振特性を高めることができる。
【００３１】
光学部品４２は、偏光板である。これにより、光出射部３からの励起光ＬＬの偏光を所定方向に調整することができる。
光学部品４３は、減光フィルター（ＮＤフィルター）である。これにより、ガスセル２に入射する励起光ＬＬの強度を調整（減少）させることができる。そのため、光出射部３の出力が大きい場合でも、ガスセル２に入射する励起光を所望の光量とすることができる。本実施形態では、前述した光学部品４２を通過した所定方向の偏光を有する励起光ＬＬの強度を光学部品４３により調整する。
光学部品４４は、λ／４波長板である。これにより、光出射部３からの励起光ＬＬを直線偏光から円偏光（右円偏光または左円偏光）に変換することができる。
【００３２】
後述するように第１磁場発生部８の磁場によりガスセル２内のアルカリ金属原子がゼーマン分裂した状態において、仮に直線偏光の励起光をアルカリ金属原子に照射すると、励起光とアルカリ金属原子との相互作用により、アルカリ金属原子がゼーマン分裂した複数の準位に均等に分散して存在することとなる。その結果、所望のエネルギー準位のアルカリ金属原子の数が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少なくなるため、所望のＥＩＴ現象を発現する原子数が減少し、所望のＥＩＴ信号の強度が小さくなり、その結果、原子発振器１の発振特性の低下をもたらす。
【００３３】
これに対し、後述するように第１磁場発生部８の磁場によりガスセル２内のアルカリ金属原子がゼーマン分裂した状態において、円偏光の励起光をアルカリ金属原子に照射すると、励起光とアルカリ金属原子との相互作用により、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信号の強度が大きくなり、その結果、原子発振器１の発振特性を向上させることができる。
【００３４】
［光検出部］
光検出部５は、ガスセル２内を透過した励起光ＬＬ（共鳴光１、２）の強度を検出する機能を有する。
この光検出部５としては、上述したような励起光を検出し得るものであれば、特に限定されないが、例えば、太陽電池、フォトダイオード等の光検出器（受光素子）を用いることができる。
このような光検出部５は、後述する制御部１０の励起光制御部１２に接続されている（図１参照）。
【００３５】
［ヒーター］
ヒーター６（加熱部）は、前述したガスセル２（より具体的にはガスセル２中のアルカリ金属）を加熱する機能を有する。これにより、ガスセル２中のアルカリ金属を適切な濃度のガス状に維持することができる。
このヒーター６は、通電（直流）により発熱するものであり、図４に示すように、ガスセル２の外表面上に設けられた発熱抵抗体６１、６２で構成されている。
【００３６】
ここで、発熱抵抗体６１は、ガスセル２の窓部２２（入射側窓部）に設けられ、発熱抵抗体６２は、ガスセル２の窓部２３（出射側窓部）上に設けられている。各窓部２２、２３に発熱抵抗体６１、６２を配置することにより、ガスセル２の窓部２２、２３にアルカリ金属原子が結露するのを防止することができる。その結果、原子発振器１の特性（発振特性）を長期にわたり優れたものとすることができる。
これにより、窓部２２、２３にアルカリ金属原子が結露するのを防止することができる。その結果、長期にわたり優れた発振特性を発揮することができる。
【００３７】
このような発熱抵抗体６１、６２は、励起光に対する透過性を有する材料、具体的には、例えば、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）、ＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｚｉｎｃ  Ｏｘｉｄｅ）、Ｉｎ３Ｏ３、ＳｎＯ２、Ｓｂ含有ＳｎＯ２、Ａｌ含有ＺｎＯ等の酸化物等の透明電極材料で構成される。
また、発熱抵抗体６１、６２は、例えば、プラズマＣＶＤ、熱ＣＶＤのような化学蒸着法（ＣＶＤ）、真空蒸着等の乾式メッキ法、ゾル・ゲル法等を用いて形成することができる。
【００３８】
このようなヒーター６は、後に詳述するように、通電により発熱する際に磁場を発生させるが、かかる磁場は、外気温度の変化に伴って変化するため、ガスセル２内のアルカリ金属に作用する磁場の強度の変化をもたらす。後に詳述するように、ガスセル２内の磁場強度（すなわち、アルカリ金属に作用する磁場の強度）が変動すると、ＥＩＴ信号を発現させる励起光ＬＬの周波数差ω０が変動し、原子発振器１の周波数温度特性に影響を与える。
【００３９】
特に、前述したようにガスセル２の窓部２２、２３に発熱抵抗体６１、６２が設けられた構成では、発熱抵抗体６１、６２やその発熱抵抗体６１、６２への通電のための配線（第２磁場発生部９を含む）とガスセル２内のアルカリ金属原子との距離が短い。そのため、ガスセル２内の金属原子は、通電により発熱抵抗体６１、６２や配線から生じた磁場の影響を受けやすい。すなわち、ヒーター６から生じた磁場の強度変化が原子発振器１の周波数温度特性に与える影響が大きい。したがって、ヒーター６から生じる磁場を周波数温度特性の調整に効率的に利用することができる。
【００４０】
そこで、ヒーター６に流す電流の方向（向き）は、周波数温度特性における周波数の変動幅が小さくなる方向となっている。なお、ヒーター６に流す電流の方向およびヒーター６からの磁場の作用については、後述する原子発振器１の周波数温度特性の説明とともに、後に詳述する。
なお、ヒーター６は、ガスセル２を加熱することができるものであれば、特に限定されず、ガスセル２に対して非接触であってもよい。また、ヒーター６に代えて、または、ヒーター６と併用して、ペルチェ素子を用いて、ガスセル２を加熱してもよい。
このようなヒーター６は、後述する制御部１０の温度制御部１１に電気的に接続され、通電される（図１参照）。また、ヒーター６は、第２磁場発生部９に直列に電気的に接続されている。
【００４１】
［温度センサー］
温度センサー７は、ヒーター６またはガスセル２の温度を検出するものである。そして、この温度センサー７の検出結果に基づいて、前述したヒーター６の発熱量が制御される。これにより、ガスセル２内のアルカリ金属原子を所望の温度に維持することができる。
なお、温度センサー７の設置位置は、特に限定されず、例えば、ヒーター６上であってもよいし、ガスセル２の外表面上であってもよい。
温度センサー７としては、それぞれ、特に限定されず、サーミスタ、熱電対等の公知の各種温度センサーを用いることができる。
このような温度センサー７は、図示しない配線を介して、後述する制御部１０の温度制御部１１に電気的に接続されている（図１参照）。
【００４２】
［第１磁場発生部（ゼーマン分裂用磁場発生部）］
第１磁場発生部８は、ガスセル２内のアルカリ金属の縮退した複数のエネルギー準位をゼーマン分裂させる第１磁場（以下、単に「第１磁場」ともいう）を発生させる機能を有する。これにより、ゼーマン分裂により、アルカリ金属の縮退している異なるエネルギー準位間のギャップを拡げて、分解能を向上させることができる。その結果、原子発振器１の発振周波数の精度を高めることができる。また、第１磁場の強度を適宜設定することにより、後述するようなヒーター６および第２磁場発生部９から生じる磁場による原子発振器１の周波数温度特性の調整幅（調整量）を大きくすることができる。
【００４３】
ここで、ガスセル２内における第１磁場の方向は、励起光ＬＬの軸ａに対して垂直な方向（具体的にはＸ軸方向）に沿っている。
この第１磁場発生部８は、図４および図５に示すように、Ｘ軸方向に並んで配置された１対のコイル８１、８２（第１コイル）を有する。
この１対のコイル８１、８２は、ガスセル２を挟むように配置されたヘルムホルツコイルを構成する。これにより、１対のコイル８１、８２間に均一な第１磁場を発生させることができる。そのため、ガスセル２内に均一な第１磁場を発生させることができる。また、ヘルムホルツコイルを構成する１対のコイル８１、８２間をＺ軸方向に貫くように、励起光ＬＬの光路を設定することができる。
【００４４】
本実施形態では、１対のコイル８１、８２は、それぞれ、円環状をなす。そして、１対のコイル８１、８２は、同心的に配置され、かつ、これらの中心軸がガスセル２の中心を通るように、図示しない支持部材に支持されている。また、１対のコイル８１、８２の径は、互いに等しい。
なお、各コイル８１、８２は、それぞれ、円環状に限定されず、例えば、四角環状であってもよい。
【００４５】
このような１対のコイル８１、８２は、図示しない電源に電気的に接続され、通電により第１磁場を発生する。
また、第１磁場発生部８が発生する第１磁場は、定磁場（直流磁場）であるが、交流磁場が重畳されていてもよい。
また、ガスセル２内における第１磁場の強度は、コイル８１、８２の位置、形状、大きさ、巻き数、抵抗値、コイル８１、８２に流す電流の大きさ等によって適宜設定することができる。
このような第１磁場発生部８は、後述する制御部１０の磁場制御部１３に電気的に接続され、通電制御される（図１参照）。
【００４６】
［第２磁場発生部（磁場発生部）］
第２磁場発生部９は、ヒーター６に直列に電気的に接続され、ガスセル２内に作用する第２磁場（以下、単に「第２磁場」ともいう）を発生させる機能を有する。これにより、第２磁場の強度が温度変化に伴って変動するので、第２磁場の温度変化に伴う強度変化を原子発振器１の周波数温度特性の調整に利用することができる。また、ヒーター６への通電のための配線を第２磁場発生部９として有効利用することができるので、構成を簡易なものとすることができる。
【００４７】
ここで、ガスセル２内における第２磁場の方向は、励起光ＬＬの軸ａに対して垂直な方向（具体的にはＸ軸方向）に沿っている。
この第２磁場発生部９は、図４および図５に示すように、Ｘ軸方向に並んで配置された１対のコイル９１、９２（第２コイル）を有する。これにより、第２磁場を大きくすることができる。そのため、第２磁場による原子発振器１の周波数温度特性の調整幅を大きくすることができる。
【００４８】
この１対のコイル９１、９２は、ガスセル２を挟むように配置されたヘルムホルツコイルを構成する。これにより、１対のコイル９１、９２間に均一な第２磁場を発生させることができる。そのため、ガスセル２内に均一な第２磁場を発生させることができる。また、ヘルムホルツコイルを構成する１対のコイル９１、９２間をＺ軸方向に貫くように、励起光ＬＬの光路を設定することができる。
【００４９】
また、１対のコイル９１、９２は、前述した１対のコイル８１、８２間に配置されている。これにより、１対のコイル９１、９２から生じる磁場を効率的にガスセル２内のアルカリ金属に作用させることができる。また、各コイル９１、９２とヒーター６との間の配線を短くし、かかる配線による不要な方向成分の磁場の発生を抑えることができる。
本実施形態では、１対のコイル９１、９２は、それぞれ、円環状をなす。そして、１対のコイル９１、９２は、同心的に配置され、かつ、これらの中心軸がガスセル２の中心を通るように、図示しない支持部材に支持されている。また、１対のコイル９１、９２の径は、互いに等しい。
【００５０】
なお、各コイル９１、９２は、それぞれ、円環状に限定されず、例えば、四角環状であってもよい。
このような１対のコイル９１、９２は、ヒーター６に直列に電気的に接続された状態で、図示しない電源に電気的に接続され、通電により第２磁場を発生する。
ここで、第２磁場発生部９は、ヒーター６と共通の通電制御が行われるため、第２磁場発生部９が発生する磁場（第２磁場）は、直流磁場となる。また、第２磁場の強度は、ヒーター６への通電量に応じて変化する。なお、第２磁場発生部９に流す電流の方向および第２磁場発生部９からの磁場の作用については、後述する原子発振器１の周波数温度特性の説明とともに、後に詳述する。
【００５１】
また、ガスセル２内における第２磁場の強度は、コイル９１、９２の位置、形状、大きさ、巻き数、抵抗値等によって適宜設定することができる。また、コイル９１、９２は、それぞれ、ヒーター６への通電のための配線の途中に設けられるため、かかる配線を利用して形成することができる。
このような第２磁場発生部９は、後述する制御部１０の温度制御部１１に電気的に接続され、通電制御される（図１参照）。
【００５２】
［シールド］
シールド２０は、前述したガスセル２、ヒーター６、第１磁場発生部８および第２磁場発生部９を囲むように設けられ、磁気シールド性を有する。これにより、ヒーター６からの磁場、第１磁場および第２磁場以外の磁場がガスセル２内のアルカリ金属原子に対して作用するのを防止することができる。そのため、ヒーター６からの磁場および第２磁場による周波数温度特性の調整がより簡単となる。
【００５３】
本実施形態では、シールド２０は、筒状をなす。
このシールド２０は、ガスセル２、ヒーター６、第１磁場発生部８および第２磁場発生部９を収納するケーシングを兼ねていてもよい。
このシールド２０の構成材料としては、磁気シールド性を有するものであればよく、例えば、鉄、コバルト、ニッケル等の強磁性体材料を用いることができる。
【００５４】
［制御部］
図１に示す制御部１０は、光出射部３、ヒーター６、第１磁場発生部８および第２磁場発生部９をそれぞれ制御する機能を有する。
この制御部１０は、光出射部３の共鳴光１、２の周波数を制御する励起光制御部１２と、ガスセル２中のアルカリ金属の温度を制御する温度制御部１１と、第１磁場発生部８からの第２磁場を制御する磁場制御部１３とを有する。
【００５５】
励起光制御部１２は、前述した光検出部５の検出結果に基づいて、光出射部３から出射される共鳴光１、２の周波数を制御する。より具体的には、励起光制御部１２は、前述した光検出部５によって検出された（ω１−ω２）が前述したアルカリ金属固有の周波数ω０となるように、光出射部３から出射される共鳴光１、２の周波数を制御する。また、励起光制御部１２は、光出射部３から出射される共鳴光１、２の中心周波数を制御する。
【００５６】
また、励起光制御部１２は、図示しないが、電圧制御型水晶発振器（発振回路）を備えており、その電圧制御型水晶発振器の発振周波数を光検出部５の検知結果に基づいて同期・調整しながら原子発振器１の出力信号として出力する。
また、温度制御部１１は、温度センサー７の検出結果に基づいて、ヒーター６への通電を制御する。これにより、ガスセル２を所望の温度範囲内に維持することができる。
【００５７】
ここで、第２磁場発生部９は、ヒーター６に直列に電気的に接続されていることから、温度制御部１１は、温度センサー７の検出結果に基づいて、第２磁場発生部９への通電も制御する。したがって、第２磁場発生部９への通電量は、ヒーター６への通電量に応じて変化する。
また、磁場制御部１３は、第１磁場発生部８が発生する第１磁場が一定となるように、第１磁場発生部８（コイル８１、８２）への通電を制御する。
【００５８】
また、磁場制御部１３は、第２磁場発生部９（コイル９１、９２）への通電を制御する。ここで、磁場制御部１３は、第２磁場発生部９が発生する磁場が一定となるように制御してもよいし、第２磁場発生部９が発生する磁場がヒーター６への通電量に応じて変化するように制御してもよい。
このような制御部１０は、例えば、基板上に実装されたＩＣチップに設けられている。
【００５９】
（原子発振器の周波数温度特性）
ここで、図６〜図１２に基づいて、前述した原子発振器１の周波数温度特性について説明する。
図６は、図５に示すヒーター、第１磁場発生部および第２磁場発生部からの磁場（ヒーターに第１方向の電流を流した場合の磁場）を説明するための図、図７は、図５に示すヒーター、第１磁場発生部および第２磁場発生部からの磁場（ヒーターに第２方向の電流を流した場合の磁場）を説明するための図である。また、図８（ａ）は、外気温度とヒーター電流との関係を示すグラフ、図８（ｂ）は、外気温度とガスセル内の磁場強度との関係を示すグラフである。また、図９は、ガスセル内の磁場強度と光出射部からの２つの光の周波数差との関係を示すグラフ、図１０は、外気温度と光出射部からの２つの光の周波数差との関係を示すグラフである。また、図１１は、図１に示す原子発振器の周波数温度特性の一例を示す図、図１２は、図１に示す原子発振器の周波数温度特性の他の例を示す図である。
【００６０】
前述したように、ヒーター６に流れる電流の方向（向き）は、原子発振器１の周波数温度特性（温度変化に対する発振周波数（出力信号の周波数）の変化）における周波数の変動幅が小さくなる方向となっている。
原子発振器１の周波数温度特性（以下、単に「周波数温度特性」ともいう）は、原子発振器１を構成する各部の温度特性の影響により決まる。
【００６１】
原子発振器１を構成する各部の温度特性のうち、周波数温度特性に影響するものとして、ガスセル２内のアルカリ金属がＥＩＴ現象を起こす励起光ＬＬの周波数差ω０の温度特性がある。また、そのほか、原子発振器１に含まれる回路（例えば制御部１０を構成する回路）の温度特性等も周波数温度特性に影響する。
周波数差ω０の温度特性は、例えば、ガスセル２内にアルカリ金属とともに封入されている緩衝ガスの種類や量により異なる。
【００６２】
具体的に説明すると、緩衝ガスの種類や量に起因する周波数差ω０の温度特性は、例えば、ガスセル２内に緩衝ガスとしてネオン（Ｎｅ）のみを封入した場合、温度の増加に対して正の傾きとなり、ガスセル２内に緩衝ガスとしてアルゴン（Ａｒ）のみを封入した場合、温度の増加に対して負の傾きとなる。
理論的には、ネオン（Ｎｅ）とアルゴン（Ａｒ）とを適切な割合で配合してガスセル２内に封入することにより、緩衝ガスの種類や量に起因する周波数差ω０の温度特性を温度の増加に対して平坦にすることができる。
【００６３】
しかし、実際には、ガスセル２内に封入する緩衝ガスの量の誤差等により、緩衝ガスの種類や量に起因する周波数差ω０の温度特性が温度の増加に対して僅かに傾きをもつこととなる。
また、原子発振器１に含まれる回路の温度特性等も温度の増加に対して正または負の傾きをもつ。
【００６４】
ところで、ガスセル２内のアルカリ金属に作用する磁場の強度が変動すると、周波数差ω０が変動する。具体的には、図９に示すように、周波数差ω０は、ガスセル２内の磁場の強度がゼロとなるときに最小となり、かかる磁場の強度の絶対値が増加するに従い２次関数的に増加する。
したがって、ガスセル２内の磁場の強度を温度変化（外気温度の変化）に応じて変化させることにより、周波数差ω０の温度特性を調整することができる。
【００６５】
一方、前述したように、ヒーター６および第２磁場発生部９からの磁場は、外気温度に応じて変化する。
そこで、原子発振器１では、ヒーター６および第２磁場発生部９から生じる磁場の温度変化に伴う強度変化を周波数温度特性の調整に有効利用する。これにより、簡易な構成で、優れた周波数温度特性を有する原子発振器１を実現することができる。
【００６６】
以下、周波数温度特性の調整について説明する。
前述したように、ガスセル２内には、第１磁場発生部８から生じる定常磁場と、ヒーター６および第２磁場発生部９から生じる変動磁場とが作用する。
第１磁場発生部８は、図６および図７に示す方向ｄ１３、ｄ１４の電流がコイル８１、８２に流れるように極性が設定されている。
【００６７】
ここで、方向ｄ１３、ｄ１４は、それぞれ、＋Ｘ側からみたとき、反時計周りの方向である。
したがって、第１磁場発生部８から生じる定常磁場である第１磁場の方向は、ガスセル２内において、＋Ｘ方向となる。以下、ガスセル２内の第１磁場を「第１磁場Ｇ１」という。
【００６８】
一方、ヒーター６は、図６に示す発熱抵抗体６１、６２に流す電流の方向ｄ１１、ｄ１２（第１方向）と、図７に示す発熱抵抗体６１、６２に流す電流の方向ｄ２１、ｄ２２（第１方向と反対方向の第２方向）とのうち、周波数温度特性における周波数の変動幅が小さくなる方の方向に電流が流れるように極性が設定されている。
ここで、第２磁場発生部９は、図６に示すように、発熱抵抗体６１、６２に方向ｄ１１、ｄ１２の電流を流すとき、コイル９１、９２に方向ｄ１５、ｄ１６の電流が流れる。また、図７に示すように、発熱抵抗体６１、６２に方向ｄ２１、ｄ２２の電流を流すとき、コイル９１、９２に方向ｄ１５、ｄ１６と反対方向である方向ｄ２５、ｄ２６の電流が流れる。
【００６９】
以下、発熱抵抗体６１、６２に方向ｄ１１、ｄ１２の電流を流す第１状態（以下、単に「第１状態」ともいう）と、発熱抵抗体６１、６２に方向ｄ２１、ｄ２２の電流を流す第２状態（以下、単に「第２状態」ともいう）とをそれぞれ説明する。
（第１状態）
第１状態において、図６に示すように、発熱抵抗体６１には、＋Ｙ方向となる方向ｄ１１に電流が流れる。一方、発熱抵抗体６２には、−Ｙ方向となる方向ｄ１２、すなわち、発熱抵抗体６１に流れる電流の方向ｄ１１とは反対方向に電流が流れる。
【００７０】
また、ヒーター６から生じる磁場の方向は、ガスセル２内において、＋Ｘ方向となる。すなわち、ヒーター６から生じる磁場の方向は、ガスセル２内において、前述した第１磁場Ｇ１の方向と同方向（同じ向き）となる。以下、ガスセル２内におけるヒーター６からの磁場を「磁場Ｇ２」という。
また、第１状態において、図６に示すように、コイル９１、９２には、＋Ｘ側からみたとき、反時計周りの方向ｄ１５、ｄ１６に電流が流れる。
【００７１】
したがって、第１状態では、第２磁場発生部９から生じる変動磁場である第２磁場の方向は、ガスセル２内において、＋Ｘ方向となる。すなわち、第２磁場の方向は、ガスセル２内において、前述した第１磁場Ｇ１および磁場Ｇ２の方向と同方向（同じ向き）となる。以下、ガスセル２内における第２磁場を「第２磁場Ｇ３」という。
このようなことから、第１状態では、ガスセル２内のアルカリ金属原子に対し、第１磁場Ｇ１とヒーター６からの磁場Ｇ２と第２磁場Ｇ３とを足し合わせた強度の磁場Ｇ（以下、単に「磁場Ｇ」ともいう）が作用する。
【００７２】
ここで、ヒーター６への通電量は、外気温度の変化に伴って変化する。具体的には、図８（ａ）に示すように、外気温度がＴ１からＴ２へ上昇したとき、ヒーター６に流れる電流は、減少する。したがって、図８（ｂ）に示すように、外気温度がＴ１からＴ２へ上昇したとき、磁場Ｇ２および第２磁場Ｇ３の強度も減少し、それに伴って、磁場Ｇの強度はＨ４からＨ３へ減少する。
【００７３】
（第２状態）
第２状態において、図７に示すように、発熱抵抗体６１には、−Ｙ方向となる方向ｄ２１に電流が流れる。一方、発熱抵抗体６２には、＋Ｙ方向となる方向ｄ２２、すなわち、発熱抵抗体６１に流れる電流の方向ｄ２１とは反対方向に電流が流れる。
また、ヒーター６から生じる磁場Ｇ２の方向は、ガスセル２内において、−Ｘ方向となる。すなわち、ヒーター６から生じる磁場Ｇ２の方向は、ガスセル２内において、前述した第１磁場Ｇ１の方向と反対方向（反対の向き）となる。
【００７４】
また、第１状態において、図７に示すように、コイル９１、９２には、＋Ｘ側からみたとき、時計周りの方向ｄ２５、ｄ２６に電流が流れる。
したがって、第２状態では、第２磁場発生部９から生じる変動磁場である第２磁場Ｇ３の方向は、ガスセル２内において、−Ｘ方向となる。すなわち、第２磁場Ｇ３の方向は、ガスセル２内において、前述した第１磁場Ｇ１の方向と反対方向（反対の向き）となる。
【００７５】
このようなことから、第２状態では、ガスセル２内のアルカリ金属原子に対し、第１磁場Ｇ１からヒーター６からの磁場Ｇ２と第２磁場Ｇ３とを差し引いた強度の磁場Ｇが作用する。
ここで、図８（ｂ）に示すように、外気温度がＴ１からＴ２へ上昇したとき、磁場Ｇ２および第２磁場Ｇ３の強度が減少するが、磁場Ｇの強度はＨ１からＨ２へ増加する。
【００７６】
このように、第１状態では、外気温度の上昇に伴って、磁場Ｇが減少するのに対し、第２状態では、外気温度の上昇に伴って、磁場Ｇが増加する。
そして、外気温度がＴ１からＴ２へ上昇したとき、図９に示すように、第１状態では、磁場Ｇの強度のＨ４からＨ３への減少により、周波数差ω０が例えばｆ４からｆ３へ減少する。一方、第２状態では、磁場Ｇの強度のＨ１からＨ２への増加により、周波数差ω０が例えばｆ１からｆ２へ増加する。
【００７７】
すなわち、図１０に示すように、第１状態では、外気温度がＴ１からＴ２へ上昇したとき、周波数差ω０が例えばｆ４からｆ３へ線形的に減少する。一方、第２状態では、外気温度がＴ１からＴ２へ上昇したとき、周波数差ω０が例えばｆ１からｆ２へ線形的に増加する。
このように、ヒーター６および第２磁場発生部９に流す電流の方向の違いによって、周波数差ω０の温度特性が異なる。
【００７８】
したがって、前述した第１状態および第２状態のうちのいずれかを選択することによって、簡単に、周波数温度特性を調整することができる。
特に、原子発振器１では、第２磁場の方向がガスセル２内で第１磁場の方向に対して平行な方向に沿っている。これにより、第２磁場による原子発振器１の周波数温度特性の調整幅を大きくすることができる。
【００７９】
なお、第２磁場の方向がガスセル２内で第１磁場の方向に対して平行な方向成分を含んでいれば、第２磁場による原子発振器１の周波数温度特性の調整を効果的に行うことができる。
本実施形態では、このように発熱抵抗体６１、６２に流れる電流の方向を反対方向とすることにより、発熱抵抗体６１と発熱抵抗体６２との間において、発熱抵抗体６１から生じる磁場と、発熱抵抗体６２から生じる磁場とが互いに強め合うこととなる。
【００８０】
すなわち、１対の発熱抵抗体６１、６２から生じる磁場は、ガスセル２内で互いに強め合う。これにより、ヒーター６から生じる磁場の温度変化に伴う強度変化の幅を大きくすることができる。そのため、ヒーター６から生じる磁場による原子発振器１の周波数温度特性の調整幅（調整量）を大きくすることができる。したがって、ガスセル２内のアルカリ金属に作用する磁場強度の変動以外の要素に起因する周波数温度特性の周波数の変動幅が大きい場合、原子発振器１の周波数温度特性の周波数の変動幅を小さくすることができる。
【００８１】
また、第２磁場と、ヒーター６から生じる磁場とは、ガスセル２内で互いに強め合う。これにより、ヒーター６から生じる磁場および第２磁場の温度変化に伴う強度変化の幅を大きくすることができる。そのため、ヒーター６から生じる磁場および第２磁場による原子発振器１の周波数温度特性の調整幅（調整量）を大きくすることができる。したがって、ガスセル２内のアルカリ金属に作用する磁場強度の変動以外の要素に起因する周波数温度特性の周波数の変動幅が大きい場合、原子発振器１の周波数温度特性の周波数の変動幅を小さくすることができる。
【００８２】
以上説明したように構成された原子発振器１の製造方法は、周波数温度特性の調整工程を含む。
かかる周波数温度特性の調整工程では、まず、前述した原子発振器１を構成する各部をそれぞれ所定位置に配置する。
次いで、前述した第１状態と第２状態とのそれぞれの状態における周波数温度特性を測定する。
【００８３】
そして、その測定の結果に基づいて、第１方向（第１状態における電流の方向（向き））および第２方向（第２状態における電流の方向（向き））のうち、周波数温度特性における周波数の変動幅が小さくなる方の方向を選択し、その選択された方向となる極性にヒーター６および第２磁場発生部９の極性を設定する。
【００８４】
例えば、ガスセル２内のアルカリ金属に作用する磁場強度の変動以外の要素に起因する周波数温度特性の周波数の変動幅がゼロである（外気温度が上昇しても周波数が変動しない）場合、図１１に示すように、前述した周波数差ω０の温度特性（図１０参照）の影響が直接的に現れる。したがって、第２状態における周波数温度特性の周波数の変動幅は、第１状態における周波数温度特性の周波数の変動幅よりも小さい。よって、この場合、第２方向となる極性にヒーター６および第２磁場発生部９の極性を設定する。
【００８５】
また、ガスセル２内のアルカリ金属に作用する磁場強度の変動以外の要素に起因する周波数温度特性の傾きが負である（外気温度の上昇に伴って周波数が減少する）場合も、図１２（ａ）に示すように、第２状態における周波数温度特性の周波数の変動幅は、第１状態における周波数温度特性の周波数の変動幅よりも小さい。すなわち、この場合、周波数温度特性は、第１状態ではヒーター６および第２磁場発生部９からの磁場の影響により悪化するが、第２状態ではヒーター６および第２磁場発生部９からの磁場の影響により改善される。よって、この場合も、第２方向となる極性にヒーター６および第２磁場発生部９の極性を設定する。
【００８６】
また、ガスセル２内のアルカリ金属に作用する磁場強度の変動以外の要素に起因する周波数温度特性の傾きが正である（外気温度の上昇に伴って周波数が増加する）場合、図１２（ｂ）に示すように、第１状態における周波数温度特性の周波数の変動幅が、第２状態における周波数温度特性の周波数の変動幅よりも小さくなる場合がある。すなわち、この場合、周波数温度特性は、第２状態ではヒーター６および第２磁場発生部９からの磁場の影響により悪化するが、第１状態ではヒーター６および第２磁場発生部９からの磁場の影響により改善される。よって、この場合は、第１方向となる極性にヒーター６および第２磁場発生部９の極性を設定する。
【００８７】
以上説明したような本実施形態の原子発振器１によれば、ヒーター６および第２磁場発生部９から生じる磁場の温度変化に伴う強度変化を原子発振器１の周波数温度特性の調整に有効利用して、原子発振器１の周波数温度特性を優れたものとすることができる。したがって、簡易な構成で、優れた周波数温度特性を有する原子発振器１を提供することができる。
なお、発熱抵抗体６１、６２およびコイル９１、９２に流す電流の方向の組み合わせは、前述したものに限定されず、例えば、以下のような変形例１〜３であってもよい。
【００８８】
（変形例１）
図１３は、図１に示す原子発振器の変形例１を説明するための図である。
第１実施形態の変形例１では、第１状態において、図１３に示すように、コイル９１、９２には、＋Ｘ側からみたとき、時計周りの方向ｄ１５、ｄ１６に電流が流れる。
したがって、変形例１の第１状態では、第２磁場発生部９から生じる変動磁場である第２磁場の方向は、ガスセル２内において、−Ｘ方向となる。すなわち、第２磁場の方向は、ガスセル２内において、前述した第１磁場Ｇ１および磁場Ｇ２の方向と反対方向（反対の向き）となる。
このようなことから、変形例１の第１状態では、ガスセル２内のアルカリ金属原子に対し、第１磁場Ｇ１とヒーター６からの磁場Ｇ２とを足し合わせた強度から第２磁場Ｇ３の強度を差し引いた強度の磁場Ｇが作用する。
【００８９】
このような変形例１では、第２磁場と、ヒーター６から生じる磁場とがガスセル２内で互いに弱め合う。これにより、ヒーター６から生じる磁場および第２磁場の温度変化に伴う強度変化の幅を小さくすることができる。そのため、ヒーター６から生じる磁場および第２磁場による原子発振器１の周波数温度特性の調整幅（調整量）を小さくすることができる。したがって、ガスセル２内のアルカリ金属に作用する磁場強度の変動以外の要素に起因する周波数温度特性の周波数の変動幅が小さい場合、原子発振器１の周波数温度特性の周波数の変動幅を小さくすることができる。
【００９０】
（変形例２）
図１４は、図１に示す原子発振器の変形例２を説明するための図である。
第１実施形態の変形例２では、第１状態において、図１４に示すように、発熱抵抗体６１には、＋Ｙ方向となる方向ｄ１１に電流が流れる。一方、発熱抵抗体６２には、＋Ｙ方向となる方向ｄ１２、すなわち、発熱抵抗体６１に流れる電流の方向ｄ１１と同方向に電流が流れる。
【００９１】
このような変形例２では、１対の発熱抵抗体６１、６２から生じる磁場は、ガスセル２内で互いに弱め合う。これにより、ヒーター６から生じる磁場の温度変化に伴う強度変化の幅を小さくすることができる。そのため、ヒーター６から生じる磁場による原子発振器１の周波数温度特性の調整幅（調整量）を小さくすることができる。したがって、ガスセル２内のアルカリ金属に作用する磁場強度の変動以外の要素に起因する周波数温度特性の周波数の変動幅が小さい場合、原子発振器１の周波数温度特性の周波数の変動幅を小さくすることができる。
図１４では、１対の発熱抵抗体６１、６２から生じる磁場がガスセル２内で互いに相殺される場合を図示しており、この場合、変形例２の第１状態では、ガスセル２内のアルカリ金属原子に対し、第１磁場Ｇ１と第２磁場Ｇ３とを足し合わせた強度の磁場Ｇが作用する。
【００９２】
（変形例３）
図１５は、図１に示す原子発振器の変形例３を説明するための図である。
第１実施形態の変形例３では、第１状態において、図１５に示すように、＋Ｘ側からみたとき、コイル９１には、時計周りの方向ｄ１５に電流が流れ、一方、コイル９１には、反時計周りの方向ｄ１６に電流が流れる。
【００９３】
したがって、変形例３の第１状態では、１対のコイル９１、９２から生じる磁場は、ガスセル２内で互いに弱め合う。これにより、ヒーター６から生じる磁場の温度変化に伴う強度変化の幅を小さくすることができる。
図１５では、１対のコイル９１、９２から生じる磁場がガスセル２内で互いに相殺される場合を図示しており、この場合、変形例３の第１状態では、ガスセル２内のアルカリ金属原子に対し、第１磁場Ｇ１とヒーター６からの磁場Ｇ２とを足し合わせた強度の磁場Ｇが作用する。
【００９４】
＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
図１６は、本発明の第２実施形態に係る原子発振器のガスセル、ヒーター、第１磁場発生部および第２磁場発生部を示す縦断面図である。
本実施形態に係る原子発振器は、第１磁場発生部および第２磁場発生部の配置が異なる以外は、前述した第１実施形態にかかる原子発振器と同様である。
【００９５】
なお、以下の説明では、第２実施形態の原子発振器に関し、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。また、図１６において、前述した実施形態と同様の構成については、同一符号を付している。
図１６に示す原子発振器１Ａは、第１磁場発生部８Ａおよび第２磁場発生部９Ａを備える。
【００９６】
第１磁場発生部８Ａは、ガスセル２内において励起光ＬＬの軸ａに対して平行な方向（具体的にはＹ軸方向）に沿った方向の第１磁場を発生する。これにより、ガスセル２内において量子干渉効果を好適に生じさせることができる。
この第１磁場発生部８Ａは、Ｙ軸方向に並んで配置された１対のコイル８１Ａ、８２Ａ（第１コイル）を有する。
【００９７】
この１対のコイル８１Ａ、８２Ａは、ガスセル２を挟むように配置されたヘルムホルツコイルを構成する。これにより、ガスセル２内に均一な第１磁場を発生させることができる。また、各コイル８１Ａ、８２Ａの内側をＺ軸方向に貫くように、励起光ＬＬの光路を設定することができる。
同様に、第２磁場発生部９Ａは、Ｙ軸方向に並んで配置された１対のコイル９１Ａ、９２Ａ（第２コイル）を有する。
【００９８】
この１対のコイル９１Ａ、９２Ａは、ガスセル２を挟むように配置されたヘルムホルツコイルを構成する。これにより、ガスセル２内に均一な第２磁場を発生させることができる。また、各コイル９１Ａ、９２Ａの内側をＺ軸方向に貫くように、励起光ＬＬの光路を設定することができる。
以上説明したような第２実施形態に係る原子発振器１Ａによっても、簡易な構成で、優れた周波数温度特性を発揮することができる。
【００９９】
＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態について説明する。
図１７は、本発明の第３実施形態に係る原子発振器のガスセル、ヒーター、第１磁場発生部および第２磁場発生部を示す縦断面図、図１８は、図１７に示すヒーター、第１磁場発生部および第２磁場発生部からの磁場（ヒーターに第１方向の電流を流した場合の磁場）を説明するための図である。
本実施形態に係る原子発振器は、第２磁場発生部の構成が異なる以外は、前述した第１実施形態にかかる原子発振器と同様である。
【０１００】
なお、以下の説明では、第２実施形態の原子発振器に関し、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。また、図１７および図１８において、前述した実施形態と同様の構成については、同一符号を付している。
図１７に示す原子発振器１Ｂは、第２磁場発生部９Ｂを備える。
第２磁場発生部９Ｂは、ガスセル２内において励起光ＬＬの軸ａに対して平行な方向（具体的にはＸ軸方向）成分を含む第１磁場を発生する。
第２磁場発生部９Ｂは、発熱抵抗体６１に電気的に接続された１対の配線９３、９４と、発熱抵抗体６２に電気的に接続された１対の配線９５、９６とを有する。
【０１０１】
以下、１対の配線９３、９４について説明する。なお、１対の配線９５、９６については、１対の配線９３、９４と同様であるため、その説明を省略する。
図１８に示すように、配線９３は、発熱抵抗体６１の＋Ｙ側の端部に接続され、配線９４は、発熱抵抗体６１の−Ｙ側の端部に接続されている。
また、配線９３、９４は、それぞれ、−Ｚ側からみたとき、Ｙ軸方向にそって延びている。そして、第１状態において、配線９３、９４には、−Ｚ側からみたとき、＋Ｙ方向となる方向ｄ１５、ｄ１６（発熱抵抗体６１に流れる電流の方向ｄ１１と同方向）に電流が流れる。
したがって、第１状態では、第２磁場発生部９Ｂから生じる変動磁場である第２磁場の方向は、ガスセル２内において、＋Ｘ方向の方向成分を含む。
【０１０２】
このような原子発振器１Ｂにおいても、ヒーター６および第２磁場発生部９Ｂに流す電流の方向の違いによって、周波数差ω０の温度特性が異なる。そのため、２つの電流の方向のうちの一方を選択することによって、簡単に、周波数温度特性を調整することができる。
以上説明したような第３実施形態に係る原子発振器１Ｂによっても、簡易な構成で、優れた周波数温度特性を発揮することができる。
【０１０３】
（変形例）
図１９は、図１７に示す原子発振器の変形例を説明するための図である。
第３実施形態の変形例では、配線９３、９４は、それぞれ、−Ｚ側からみたときに、発熱抵抗体６１のＸ軸方向での一方の端部にＹ軸方向に沿って延びる部分を有する。そして、第１状態において、配線９３、９４には、−Ｚ側からみたとき、−Ｙ方向となる方向ｄ１５、ｄ１６（発熱抵抗体６１に流れる電流の方向ｄ１１と反対方向）に電流が流れる。
【０１０４】
したがって、本変形例の第１状態では、第２磁場発生部９Ｂから生じる変動磁場である第２磁場の方向は、ガスセル２内において、−Ｘ方向の方向成分を含む。
このようなことから、本変形例の第１状態では、ガスセル２内のアルカリ金属原子に対し、第１磁場Ｇ１とヒーター６からの磁場Ｇ２とを足し合わせた強度から第２磁場Ｇ３の強度を差し引いた強度の磁場Ｇが作用する。
【０１０５】
２．電子機器
以上説明したような原子発振器は、各種電子機器に組み込むことができる。このような電子機器は、優れた信頼性を有する。
以下、本発明の電子機器について説明する。
図２０は、ＧＰＳ衛星を利用した測位システムに本発明の原子発振器を用いた場合の概略構成を示す図である。
図２０に示す測位システム１００は、ＧＰＳ衛星２００と、基地局装置３００と、ＧＰＳ受信装置４００とで構成されている。
【０１０６】
ＧＰＳ衛星２００は、測位情報（ＧＰＳ信号）を送信する。
基地局装置３００は、例えば電子基準点（ＧＰＳ連続観測局）に設置されたアンテナ３０１を介してＧＰＳ衛星２００からの測位情報を高精度に受信する受信装置３０２と、この受信装置３０２で受信した測位情報をアンテナ３０３を介して送信する送信装置３０４とを備える。
【０１０７】
ここで、受信装置３０２は、その基準周波数発振源として前述した本発明の原子発振器１を備える電子装置である。このような受信装置３０２は、優れた信頼性を有する。また、受信装置３０２で受信された測位情報は、リアルタイムで送信装置３０４により送信される。
ＧＰＳ受信装置４００は、ＧＰＳ衛星２００からの測位情報をアンテナ４０１を介して受信する衛星受信部４０２と、基地局装置３００からの測位情報をアンテナ４０３を介して受信する基地局受信部４０４とを備える。
【０１０８】
図２１は、本発明の原子発振器を用いたクロック伝送システムの一例を示す概略構成図である。
図２１に示すクロック伝送システム５００は、時分割多重方式のネットワーク内の各装置のクロックを一致させるものであって、Ｎ（Normal）系およびＥ（Emergency）系の冗長構成を有するシステムである。
【０１０９】
このクロック伝送システム５００は、Ａ局（上位（Ｎ系））のクロック供給装置（ＣＳＭ：Clock Supply Module）５０１およびＳＤＨ（Synchronous Digital Hierarchy）装置５０２と、Ｂ局（上位（Ｅ系））のクロック供給装置５０３およびＳＤＨ装置５０４と、Ｃ局（下位）のクロック供給装置５０５およびＳＤＨ装置５０６、５０７とを備える。
クロック供給装置５０１は、原子発振器１を有し、Ｎ系のクロック信号を生成する。このクロック供給装置５０１内の原子発振器１は、セシウムを用いた原子発振器を含むマスタークロック５０８、５０９からのより高精度なクロック信号と同期して、クロック信号を生成する。
【０１１０】
ＳＤＨ装置５０２は、クロック供給装置５０１からのクロック信号に基づいて、主信号の送受信を行うとともに、Ｎ系のクロック信号を主信号に重畳し、下位のクロック供給装置５０５に伝送する。
クロック供給装置５０３は、原子発振器１を有し、Ｅ系のクロック信号を生成する。このクロック供給装置５０３内の原子発振器１は、セシウムを用いた原子発振器を含むマスタークロック５０８、５０９からのより高精度なクロック信号と同期して、クロック信号を生成する。
【０１１１】
ＳＤＨ装置５０４は、クロック供給装置５０３からのクロック信号に基づいて、主信号の送受信を行うとともに、Ｅ系のクロック信号を主信号に重畳し、下位のクロック供給装置５０５に伝送する。
クロック供給装置５０５は、クロック供給装置５０１、５０３からのクロック信号を受信し、その受信したクロック信号に同期して、クロック信号を生成する。
【０１１２】
ここで、クロック供給装置５０５は、通常、クロック供給装置５０１からのＮ系のクロック信号に同期して、クロック信号を生成する。そして、Ｎ系に異常が発生した場合、クロック供給装置５０５は、クロック供給装置５０３からのＥ系のクロック信号に同期して、クロック信号を生成する。このようにＮ系からＥ系に切り換えることにより、安定したクロック供給を担保し、クロックパス網の信頼性を高めることができる。
ＳＤＨ装置５０６は、クロック供給装置５０５からのクロック信号に基づいて、主信号の送受信を行う。同様に、ＳＤＨ装置５０７は、クロック供給装置５０５からのクロック信号に基づいて、主信号の送受信を行う。これにより、Ｃ局の装置をＡ局またはＢ局の装置と同期させることができる。
【０１１３】
３．移動体
図２２は、本発明の移動体の一例を示す図である。
この図において、移動体１５００は、車体１５０１と、４つの車輪１５０２とを有しており、車体１５０１に設けられた図示しない動力源（エンジン）によって車輪１５０２を回転させるように構成されている。このような移動体１５００には、原子発振器１が内蔵されている。
このような移動体によれば、優れた信頼性を発揮することができる。
【０１１４】
なお、本発明の原子発振器を備える電子機器は、前述したものに限定されず、例えば、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等に適用することができる。
以上、本発明の原子発振器、電子機器および移動体について、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これらに限定されるものではない。
また、本発明の各部の構成は、前述した実施形態の同様の機能を発揮する任意の構成のものに置換することができ、また、任意の構成を付加することもできる。
【０１１５】
また、本発明は、前述した各実施形態の任意の構成同士を組み合わせるようにしてもよい。
また、前述した実施形態では、第１磁場発生部に流す電流の方向を第１状態と第２状態とで同方向としたが、第１磁場発生部に流す電流の方向を第１状態と第２状態とで反対方向としてもよい。
【０１１６】
また、前述した実施形態では、ヘルムホルツ型コイルを用いて第１磁場発生部を構成した場合を例に説明したが、第１磁場発生部は、これに限定されず、例えば、ソレノイド型コイルを用いて構成してもよい。この場合、例えば、第１実施形態のシールドの内周面に沿って巻回されたコイルを配置し、そのコイルの内側にガスセルおよび第２磁場発生部を配置すればよい。
【符号の説明】
【０１１７】
１‥‥原子発振器  １Ａ‥‥原子発振器  １Ｂ‥‥原子発振器  ２‥‥ガスセル  ３‥‥光出射部  ５‥‥光検出部  ６‥‥ヒーター  ７‥‥温度センサー  ８‥‥第１磁場発生部（ゼーマン分裂用磁場発生部）  ８Ａ‥‥第１磁場発生部（ゼーマン分裂用磁場発生部）  ９‥‥第２磁場発生部（磁場発生部）  ９Ａ‥‥第２磁場発生部（磁場発生部）  ９Ｂ‥‥第２磁場発生部（磁場発生部）  １０‥‥制御部  １１‥‥温度制御部  １２‥‥励起光制御部  １３‥‥磁場制御部  ２０‥‥シールド  ２１‥‥本体部  ２２‥‥窓部  ２３‥‥窓部  ４１‥‥光学部品  ４２‥‥光学部品  ４３‥‥光学部品  ４４‥‥光学部品  ６１‥‥発熱抵抗体  ６２‥‥発熱抵抗体  ８１‥‥コイル  ８２‥‥コイル  ８１Ａ‥‥コイル  ８２Ａ‥‥コイル  ９１‥‥コイル  ９２‥‥コイル  ９１Ａ‥‥コイル  ９２Ａ‥‥コイル  ９３‥‥配線  ９４‥‥配線  ９５‥‥配線  ９６‥‥配線  １００‥‥測位システム  ２００‥‥衛星  ３００‥‥基地局装置  ３０１‥‥アンテナ  ３０２‥‥受信装置  ３０３‥‥アンテナ  ３０４‥‥送信装置  ４００‥‥受信装置  ４０１‥‥アンテナ  ４０２‥‥衛星受信部  ４０３‥‥アンテナ  ４０４‥‥基地局受信部  ５００‥‥クロック伝送システム  ５０１‥‥クロック供給装置  ５０２‥‥ＳＤＨ装置  ５０３‥‥クロック供給装置  ５０４‥‥ＳＤＨ装置  ５０５‥‥クロック供給装置  ５０６‥‥ＳＤＨ装置  ５０７‥‥ＳＤＨ装置  ５０８‥‥マスタークロック  １５００‥‥移動体  １５０１‥‥車体  １５０２‥‥車輪  ａ‥‥軸  ｄ１１‥‥方向（第１方向）  ｄ１２‥‥方向（第１方向）  ｄ１３‥‥方向  ｄ１４‥‥方向  ｄ１５‥‥方向（第１方向）  ｄ１６‥‥方向（第１方向）  ｄ２１‥‥方向（第２方向）  ｄ２２‥‥方向（第２方向）  ｄ２３‥‥方向  ｄ２４‥‥方向  ｄ２５‥‥方向（第２方向）  ｄ２６‥‥方向（第２方向）  Ｇ‥‥磁場  Ｇ１‥‥第１磁場  Ｇ２‥‥磁場  Ｇ３‥‥第２磁場  ＬＬ‥‥励起光  Ｓ‥‥内部空間
【図１】
2014192799.tif 000003
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
2014192799.tif 000020
【図１９】
2014192799.tif 000021
【図２０】
2014192799.tif 000022
【図２１】
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【図２２】
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