(57)【要約】【課題】優れた周波数特性を有する原子セルを提供すること、また、優れた周波数特性を有する原子セルを容易に製造することができる原子セルの製造方法を提供すること、さらに、かかる原子セルを備える量子干渉装置、原子発振器、電子機器および移動体を提供すること。【解決手段】アルカリ金属を収納している内部空間と、前記内部空間の内壁面に配置されているコーティング膜と、前記内部空間と外部との間を貫通している第１、第２貫通孔と、前記第１、第２貫通孔を塞いでいる第１、第２封止材と、を備え、前記内部空間は、前記第１、第２貫通孔に接続されている第１、第２空間と、前記第１空間および前記第２空間とは異なる位置に配置されている第３空間と、前記第１、第２空間と前記第３空間とを連通させている第１、第２連通部と、有することを特徴とする原子セル。【選択図】図３
2018011100.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルカリ金属と、
前記アルカリ金属を収納している内部空間と、
前記内部空間の内壁面に配置されているコーティング膜と、
前記内部空間と外部との間を貫通している第１貫通孔と、
前記第１貫通孔とは異なる位置に設けられ、前記内部空間と外部との間を貫通している第２貫通孔と、
前記第１貫通孔を塞いでいる第１封止材と、
前記第２貫通孔を塞いでいる第２封止材と、を備え、
前記内部空間は、
前記第１貫通孔に接続されている第１空間と、
前記第２貫通孔に接続されている第２空間と、
前記第１空間および前記第２空間とは異なる位置に配置されている第３空間と、
前記第１空間と前記第３空間とを連通させている第１連通部と、
前記第２空間と前記第３空間とを連通させている第２連通部と、を有することを特徴とする原子セル。
【請求項２】
前記第１貫通孔の幅が前記内部空間側に向かうに従い狭くなる部分を有する請求項１に記載の原子セル。
【請求項３】
前記第２貫通孔の幅が前記内部空間側に向かうに従い狭くなる部分を有する請求項１または２に記載の原子セル。
【請求項４】
前記第１連通部のコンダクタンスが前記第２連通部のコンダクタンスよりも大きい請求項１ないし３のいずれか１項に記載の原子セル。
【請求項５】
前記第２空間には、液体状または固体状の前記アルカリ金属が配置されている請求項４に記載の原子セル。
【請求項６】
前記第１空間には、前記コーティング膜の構成材料の前駆体または変性物が配置されている請求項４または５に記載の原子セル。
【請求項７】
前記第１封止材および前記第２封止材は、それぞれ、ガラス材料で構成されている請求項１ないし６のいずれか１項に記載の原子セル。
【請求項８】
前記コーティング膜は、前記第１封止材の表面に配置されている部分を有する請求項１ないし７のいずれか１項に記載の原子セル。
【請求項９】
内部空間と、前記内部空間と外部との間を貫通している第１貫通孔および第２貫通孔と、を有する容器を準備する容器準備工程と、
前記第１貫通孔を通じて前記内部空間にコーティング材を導入するコーティング材導入工程と、
前記第１貫通孔を第１封止材により塞ぐ第１封止工程と、
前記コーティング材を加熱して前記内部空間の内壁面にコーティング膜を形成するコーティング工程と、
前記第２貫通孔を通じて前記内部空間にアルカリ金属を導入するアルカリ金属導入工程と、
前記第２貫通孔を第２封止材により塞ぐ第２封止工程と、を有することを特徴とする原子セルの製造方法。
【請求項１０】
前記容器準備工程において、前記内部空間は、
前記第１貫通孔に接続されている第１空間と、
前記第２貫通孔に接続されている第２空間と、
前記第１空間および前記第２空間とは異なる位置に配置されている第３空間と、
前記第１空間と前記第３空間とを連通させている第１連通部と、
前記第２空間と前記第３空間とを連通させている第２連通部と、を有し、
前記コーティング材導入工程において、前記コーティング材を前記第１空間に配置する請求項９に記載の原子セルの製造方法。
【請求項１１】
前記コーティング工程において、前記第１連通部のコンダクタンスが前記第２連通部のコンダクタンスよりも大きい請求項１０に記載の原子セルの製造方法。
【請求項１２】
請求項１ないし８のいずれか１項に記載の原子セルを備えることを特徴とする量子干渉装置。
【請求項１３】
請求項１ないし８のいずれか１項に記載の原子セルを備えることを特徴とする原子発振器。
【請求項１４】
請求項１ないし８のいずれか１項に記載の原子セルを備えることを特徴とする電子機器。
【請求項１５】
請求項１ないし８のいずれか１項に記載の原子セル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、原子セル、原子セルの製造方法、量子干渉装置、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。
【０００３】
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。いずれの原子発振器も、一般に、アルカリ金属を封入した原子セル（ガスセル）を備える（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
例えば、特許文献１に係るガスセルは、シリコンウエハに形成された貫通孔の開口がガラス基板により封鎖されることにより、アルカリ金属を封入する内部空間が形成されている。ここで、シリコンウエハとガラス基板とが陽極接合法により接合されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２８３５２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、近年、原子発振器の小型化の要請に伴い、原子セルの小型化が求められている。一方、原子セル内に充填された気体状のアルカリ金属は原子セルの内壁面に衝突したときに挙動が変化するが、原子セルが小型になるほど、その挙動の変化に起因する発振特性の低下が顕著になることが知られている。そこで、原子セルの内壁面にアルカリ金属の挙動の変化を低減するコーティングを施すことが提案されている。
【０００７】
しかし、特許文献１に係るガスセルでは、コーティングを施そうとしたとき、シリコンウエハとガラス基板との陽極接合の前にコーティングを施さなければならず、その後の陽極接合時の高温によりコーティングが溶けてしまう。そのため、ガスセルの内壁面の所望領域に均一なコーティングを施すことが難しいという問題があった。
【０００８】
本発明の目的は、優れた周波数特性を有する原子セルを提供すること、また、優れた周波数特性を有する原子セルを容易に製造することができる原子セルの製造方法を提供すること、さらに、かかる原子セルを備える量子干渉装置、原子発振器、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】
【０００９】
上記目的は、下記の本発明により達成される。
本発明の原子セルは、アルカリ金属と、
前記アルカリ金属を収納している内部空間と、
前記内部空間の内壁面に配置されているコーティング膜と、
前記内部空間と外部との間を貫通している第１貫通孔と、
前記第１貫通孔とは異なる位置に設けられ、前記内部空間と外部との間を貫通している第２貫通孔と、
前記第１貫通孔を塞いでいる第１封止材と、
前記第２貫通孔を塞いでいる第２封止材と、を備え、
前記内部空間は、
前記第１貫通孔に接続されている第１空間と、
前記第２貫通孔に接続されている第２空間と、
前記第１空間および前記第２空間とは異なる位置に配置されている第３空間と、
前記第１空間と前記第３空間とを連通させている第１連通部と、
前記第２空間と前記第３空間とを連通させている第２連通部と、を有することを特徴とする。
【００１０】
このような原子セルによれば、コーティング膜の形成に用いるコーティング材を第１空間に配置することができる。そのため、そのコーティング材の残渣が生じたとしても、当該残渣が第１空間に配置されることとなるため、アルカリ金属を励起する光を通過させる空間として第３空間を用いれば、当該残渣が周波数特性に与える影響を低減することができる。
【００１１】
また、液体状または固体状のアルカリ金属を第２空間に配置することができる。そのため、アルカリ金属を励起する光を通過させる空間として第３空間を用いれば、液体状または固体状のアルカリ金属が周波数特性に与える影響を低減することができる。
【００１２】
さらに、原子セルを製造する際、第１貫通孔を内部空間へのコーティング材の導入に用いるとともに、第２貫通孔をそのコーティング材によるコーティング時の排気および内部空間へのアルカリ金属の導入に用いることにより、良質なコーティング膜を容易に形成することができる。
【００１３】
このように、アルカリ金属を励起する光を通過させる空間として第３空間を用いれば、残渣、液体状または固体状のアルカリ金属および内部空間の内壁面が周波数特性に与える影響を低減することができることから、優れた周波数特性を有する原子セルを提供することができる。
【００１４】
本発明の原子セルでは、前記第１貫通孔の幅が前記内部空間側に向かうに従い狭くなる部分を有することが好ましい。
これにより、第１貫通孔を第１封止材により塞ぐ際、第１封止材となる材料（例えばガラスボール）を第１貫通孔に安定的に載置することができる。その結果、第１封止材による第１貫通孔の封止の信頼性を優れたものとすることができる。
【００１５】
本発明の原子セルでは、前記第２貫通孔の幅が前記内部空間側に向かうに従い狭くなる部分を有することが好ましい。
これにより、第２貫通孔を第２封止材により塞ぐ際、第２封止材となる材料（例えばガラスボール）を第２貫通孔に安定的に載置することができる。その結果、第２封止材による第２貫通孔の封止の信頼性を優れたものとすることができる。また、第２貫通孔を第２封止材により塞ぐ前に、第２貫通孔を通じて気体状のコーティング材を排気する際、第２貫通孔の壁面（第２封止材との接合面）にコーティング材が付着することを低減することができる。その結果、この点でも、第２封止材による第２貫通孔の封止の信頼性を優れたものとすることができる。
【００１６】
本発明の原子セルでは、前記第１連通部のコンダクタンスが前記第２連通部のコンダクタンスよりも大きいことが好ましい。
これにより、原子セルを製造する際に、第１貫通孔を第１封止材により塞いだ状態で、第１空間に配置したコーティング材を加熱して、コーティング材の余剰分を第２貫通孔から排気しつつコーティングを行うとき、気体状となったコーティング材の第３空間でのコーティングに必要な滞留時間を容易に確保することができる。また、第２空間に液体状または固体状のアルカリ金属を配置したときに、液体状または固体状のアルカリ金属が、第３空間にある気体状のアルカリ金属の挙動に影響を与えることを効果的に低減することができる。
【００１７】
本発明の原子セルでは、前記第２空間には、液体状または固体状の前記アルカリ金属が配置されていることが好ましい。
これにより、液体状または固体状のアルカリ金属が、第３空間にある気体状のアルカリ金属の挙動に影響を与えることを低減することができる。
【００１８】
本発明の原子セルでは、前記第１空間には、前記コーティング膜の構成材料の前駆体または変性物が配置されていることが好ましい。
これにより、コーティング膜の構成材料の前駆体または変性物（コーティング材の残渣）が、第３空間にある気体状のアルカリ金属の挙動に影響を与えることを低減することができる。
【００１９】
本発明の原子セルでは、前記第１封止材および前記第２封止材は、それぞれ、ガラス材料で構成されていることが好ましい。
これにより、第１貫通孔および第２貫通孔を簡単かつ確実に気密的に塞ぐことができる。また、第１封止材および第２封止材がアルカリ金属の化学的特性に悪影響を与えることを低減することができる。
【００２０】
本発明の原子セルでは、前記コーティング膜は、前記第１封止材の表面に配置されている部分を有することが好ましい。
これにより、第１連通部の断面積が大きくても、第１封止材の表面が第３空間の気体状のアルカリ金属の挙動に影響を与えることを低減することができる。
【００２１】
本発明の原子セルの製造方法は、内部空間と、前記内部空間と外部との間を貫通している第１貫通孔および第２貫通孔と、を有する容器を準備する容器準備工程と、
前記第１貫通孔を通じて前記内部空間にコーティング材を導入するコーティング材導入工程と、
前記第１貫通孔を第１封止材により塞ぐ第１封止工程と、
前記コーティング材を加熱して前記内部空間の内壁面にコーティング膜を形成するコーティング工程と、
前記第２貫通孔を通じて前記内部空間にアルカリ金属を導入するアルカリ金属導入工程と、
前記第２貫通孔を第２封止材により塞ぐ第２封止工程と、を有することを特徴とする。
【００２２】
このような原子セルの製造方法によれば、第１封止工程後にコーティング工程を行うため、コーティング工程において、加熱により気体状となったコーティング材を内部空間への導入に用いた直近の第１貫通孔から逃さずに遠位の第２貫通孔から排気することができる。そのため、コーティング工程において、気体状となったコーティング材を内部空間に適度に滞留させて内部空間の内壁面のコーティングに供するとともに、コーティングに供されなかった余剰分のコーティング材を第２貫通孔から排気することができる。また、コーティング工程において、第１貫通孔が第１封止材により封止されているため、第１封止材の表面もコーティングすることができる。
【００２３】
また、コーティング工程後に、アルカリ金属導入工程および第２封止工程を順次行うため、コーティング工程においてアルカリ金属がコーティングを阻害することがなく、コーティング前にアルカリ金属を内部空間に導入する場合に比べて、良質なコーティング膜を形成することができる。また、第２封止工程を局所的な加熱により行うことが可能であるため、コーティング工程で形成したコーティング膜が溶けて特性劣化することを低減することができる。
このように、内部空間の内壁面に良質なコーティング膜を容易に形成することができることから、優れた周波数特性を有する原子セルを容易に製造することができる。
【００２４】
本発明の原子セルの製造方法では、前記容器準備工程において、前記内部空間は、
前記第１貫通孔に接続されている第１空間と、
前記第２貫通孔に接続されている第２空間と、
前記第１空間および前記第２空間とは異なる位置に配置されている第３空間と、
前記第１空間と前記第３空間とを連通させている第１連通部と、
前記第２空間と前記第３空間とを連通させている第２連通部と、を有し、
前記コーティング材導入工程において、前記コーティング材を前記第１空間に配置することが好ましい。
【００２５】
これにより、コーティング材導入工程において、コーティング材を第１空間に配置することができる。そして、コーティング工程において、加熱により気体状となったコーティング材をコーティングに供しながら第１空間から第１連通部、第３空間、第２連通部、第２空間へこの順で順次流通させて第２貫通孔から排気し、第３空間の内壁面に良質なコーティング膜を形成することができる。また、コーティング工程後にコーティング材の残渣が生じたとしても、当該残渣が第１空間に配置されることとなるため、アルカリ金属を励起する光を通過させる空間として第３空間を用いれば、当該残渣が周波数特性に与える影響を低減することができる。
【００２６】
また、アルカリ金属導入工程において、液体状または固体状のアルカリ金属を第２空間に配置することができる。そして、第２封止工程後においても、液体状または固体状のアルカリ金属が第２空間に配置されることとなるため、アルカリ金属を励起する光を通過させる空間として第３空間を用いれば、液体状または固体状のアルカリ金属が周波数特性に与える影響を低減することができる。
【００２７】
本発明の原子セルの製造方法では、前記コーティング工程において、前記第１連通部のコンダクタンスが前記第２連通部のコンダクタンスよりも大きいことが好ましい。
これにより、コーティング工程において、気体状となったコーティング材の第３空間でのコーティングに必要な滞留時間を容易に確保することができる。また、第２空間に配置した液体状または固体状のアルカリ金属が、第３空間にある気体状のアルカリ金属の挙動に影響を与えることを効果的に低減することができる。
【００２８】
本発明の量子干渉装置は、本発明の原子セルを備えることを特徴とする。
このような量子干渉装置によれば、優れた周波数特性を発揮することができる。
【００２９】
本発明の原子発振器は、本発明の原子セル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、優れた周波数特性を発揮することができる。
【００３０】
本発明の電子機器は、本発明の原子セルを備えることを特徴とする。
このような電子機器によれば、優れた周波数特性を有する原子セルを備えるため、優れた信頼性を発揮することができる。
【００３１】
本発明の移動体は、本発明の原子セルを備えることを特徴とする。
このような移動体によれば、優れた周波数特性を有する原子セルを備えるため、優れた信頼性を発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【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に示す原子発振器が備える原子セルの内部空間を示す斜視図である。
【図３】図２に示す原子セルの縦断面図（図４中のＡ−Ａ線断面図）である。
【図４】図２に示す原子セルの横断面図である。
【図５】図２に示す原子セルの製造方法（本発明の原子セルの製造方法）を説明するフローチャートである。
【図６】図５に示す容器準備工程を説明する図である。
【図７】図５に示すコーティング材導入工程を説明する図である。
【図８】図５に示す第１封止工程を説明する図である。
【図９】図５に示すコーティング工程を説明する図である。
【図１０】図５に示すアルカリ金属導入工程を説明する図である。
【図１１】図５に示す第２封止工程を説明する図である。
【図１２】本発明の第２実施形態に係る原子セルの縦断面図である。
【図１３】本発明の第３実施形態に係る原子セルの横断面図である。
【図１４】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１５】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】
【００３３】
以下、本発明の原子セル、原子セルの製造方法、量子干渉装置、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。
【００３４】
１．原子発振器（量子干渉装置）
まず、本発明の原子発振器（本発明の原子セルを備える原子発振器）について説明する。なお、以下では、本発明の量子干渉装置が原子発振器である場合を例に説明するが、本発明の量子干渉装置は、これに限定されず、原子発振器の他、例えば、磁気センサー、量子メモリー等にも適用可能である。
【００３５】
＜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。
【００３６】
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に吸収されずに透過する現象が生じる量子干渉効果（ＣＰＴ：Coherent Population Trapping）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、電磁誘起透明化（ＥＩＴ：Electromagnetically Induced Transparency）現象とも言う。
【００３７】
この原子発振器１は、図１に示すように、量子干渉効果を生じさせるパッケージ部１０と、パッケージ部１０を制御する制御部９と、を有する。ここで、パッケージ部１０は、原子セル２と、光源３と、光学系４と、光検出部５と、ヒーター６と、温度センサー７と、コイル８と、を有し、これらがパッケージ（図示せず）内に収納されている。また、制御部９は、光源制御部９１と、温度制御部９２と、磁場制御部９３と、を有し、例えば、パッケージ部１０が実装される基板（図示せず）上にＩＣ（Integrated circuit）チップとして設けられている。
【００３８】
この原子発振器１では、光源３が光ＬＬを光軸ａに沿って光学系４を介して原子セル２に照射し、原子セル２を透過した光ＬＬを光検出部５が検出する。
【００３９】
原子セル２は、光透過性を有し、原子セル２の内部空間Ｓには、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、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。また、原子セル２内のアルカリ金属は、ヒーター６により加熱され、ガス状態となっている。また、原子セル２内のアルカリ金属は、コイル８から所望の方向の磁場が印加され、ゼーマン分裂している。
【００４０】
光源３から出射された光ＬＬは、周波数の異なる２種の光を含んでいる。これら２種の光は、周波数差が原子セル２内のアルカリ金属の２つの基底準位間のエネルギー差に相当する周波数に一致する共鳴光対となったとき、ＥＩＴ現象を生じさせる。
【００４１】
光源制御部９１は、光検出部５の検出結果に基づいて、ＥＩＴ現象を生じさせるように、前述した光源３から出射される光ＬＬに含まれる２種の光の周波数を制御する。また、光源制御部９１は、光検出部５の検出結果に応じて、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）を備えている。そして、この電圧制御型水晶発振器（ＶＣＸＯ）の出力信号は、原子発振器１のクロック信号として出力される。
【００４２】
また、温度制御部９２は、原子セル２の温度を検出する温度センサー７の検出結果に基づいて、原子セル２内が所望の温度となるように、ヒーター６への通電を制御する。また、磁場制御部９３は、コイル８が発生する磁場が一定となるように、コイル８への通電を制御する。
【００４３】
以下、パッケージ部１０の各部の構成を順次簡単に説明する。
［原子セル］
原子セル２は、光源３からの光ＬＬに対する透過性を有する材料で構成され、原子セル２の内部空間Ｓには、アルカリ金属が封入されている。なお、原子セル２については、後に詳述する。
【００４４】
［光源］
光源３は、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の発光素子であり、原子セル２中のアルカリ金属原子を励起し得る光ＬＬを出射する機能を有する。
【００４５】
［光学系］
光学系４は、光源３と原子セル２との間に設けられており、遮光部材４１および光学部品４２、４３を有する。
【００４６】
遮光部材４１は、光ＬＬの一部を通過させる開口を有する遮光性を有する膜状または板状の部材であり、例えば、樹脂材料、金属材料で構成されている。この開口の形状は、前述した内部空間Ｓの横断面形状に応じて決められている。このような遮光部材４１の開口に光ＬＬを通過させることで、原子セル２に入射する光ＬＬの形状を調整するとともに当該光ＬＬの幅方向での強度分布の均一化を図ることができる。
【００４７】
光学部品４２は、減光フィルター（ＮＤフィルター）である。これにより、光源３の出力が大きい場合でも、原子セル２に入射する光ＬＬを所望の光量とすることができる。
【００４８】
光学部品４３は、１／４波長板である。これにより、光源３からの光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。円偏光をした光ＬＬを用いることにより、所望のＥＩＴ現象を発現する原子数を増大させ、所望のＥＩＴ信号の強度を大きくすることができる。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。
【００４９】
なお、光学系４は、前述した遮光部材４１、光学部品４２、４３の他に、レンズ、偏光板等の他の光学部品を有していてもよい。また、光源３からの光ＬＬの強度によっては、光学部品４２を省略することができる。また、遮光部材４１、光学部品４２、４３の並び順は、図示の順に限定されず、任意である。
【００５０】
［光検出部］
光検出部５は、例えば、フォトダイオード等の光検出器（受光素子）であり、原子セル２内を透過した光ＬＬ（より具体的には共鳴光対）の強度を検出する機能を有する。
【００５１】
［ヒーター］
ヒーター６は、通電により発熱する発熱抵抗体（加熱部）を有する。ヒーター６からの熱は、直接または他の部材を介して、原子セル２および光源３にそれぞれ伝達される。
【００５２】
［温度センサー］
温度センサー７は、例えば、サーミスタ、熱電対等であり、光源３、ヒーター６または原子セル２の温度を検出する機能を有する。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、原子セル２の外表面上であってもよい。
【００５３】
［コイル］
コイル８は、例えば、原子セル２の胴体部２１の外周に沿って光軸ａまわりに巻回して設けられたソレノイド型のコイルであり、原子セル２内のアルカリ金属に磁場を印加する機能を有する。これにより、ゼーマン分裂により、原子セル２内のアルカリ金属原子の縮退している異なる複数の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。
【００５４】
なお、コイル８は、光軸ａに沿った方向に原子セル２を介して対向して設けられた１対のコイルからなるヘルムホルツ型のコイルであってもよい。また、コイル８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。
以上、パッケージ部１０の各部を簡単に説明した。以下、原子セル２について詳述する。
【００５５】
（原子セルの詳細な説明）
図２は、図１に示す原子発振器が備える原子セルの内部空間を示す斜視図である。図３は、図２に示す原子セルの縦断面図（図４中のＡ−Ａ線断面図）である。図４は、図２に示す原子セルの横断面図である。なお、以下では、図３中の上側を「上」、下側を「下」という。
【００５６】
図２に示す原子セル２は、胴体部２１と、胴体部２１を挟んで設けられた１対の窓部２２、２３と、を有している。この原子セル２では、胴体部２１および１対の窓部２２、２３が、１対の窓部２２、２３の間に、気体状のアルカリ金属が封入されている内部空間Ｓを区画形成（構成）している。
【００５７】
胴体部２１は、上下方向を厚さ方向とする板状をなしており、この胴体部２１には、胴体部２１の厚さ方向（上下方向）に貫通している貫通孔２１１、２１２、２１３と、胴体部２１の上面に開口していて貫通孔２１１と貫通孔２１２とを連通させている溝２１４（第１連通部）と、胴体部２１の上面に開口していて貫通孔２１１と貫通孔２１３とを連通させている溝２１５（第２連通部）と、が形成されている。本実施形態では、図４に示すように、胴体部２１を厚さ方向から見たとき、胴体部２１の外形が四角形をなしており、胴体部２１の互いに隣り合う２つの角部に対応する位置に貫通孔２１２、２１３が位置している。また、溝２１４のコンダクタンス（気体状のアルカリ金属等の流通のしやすさ）を溝２１５のコンダクタンスよりも大きくするため、図３に示すように、溝２１４の高さＨ１は、溝２１５の高さＨ２よりも大きい。また、図４に示すように、溝２１４の幅Ｗ１は、溝２１５の幅Ｗ２よりも大きい。なお、溝２１４の長さは、図示では溝２１５の長さに等しいが、コンダクタンスの観点から、溝２１５の長さよりも短いことが好ましい。
【００５８】
この胴体部２１の構成材料としては、特に限定されず、ガラス材料、水晶、金属材料、樹脂材料、シリコン材料等が挙げられるが、中でも、ガラス材料、水晶、シリコン材料のいずれかを用いることが好ましく、ガラス材料またはシリコン材料を用いることがより好ましい。シリコンを用いると、幅や高さが１０ｍｍ以下となるような小さい原子セル２を形成する場合であっても、エッチング等の微細加工技術を用いて、高精度な胴体部２１を容易に形成することができる。特に、シリコンは、エッチングによる微細加工が可能である。したがって、シリコンを用いて胴体部２１を構成することにより、原子セル２の小型化を図っても、胴体部２１を簡単かつ高精度に形成することができる。また、窓部２２、２３がガラスで構成されている場合、胴体部２１と窓部２２、２３とを陽極接合により簡単に気密的に接合することができ、原子セル２の信頼性を優れたものとすることができる。また、胴体部２１の構成材料としてガラス材料を用いると、窓部２２、２３および封止材２４１、２４２の構成材料としてガラス材料を用いた場合、すなわち、胴体部２１、窓部２２、２３および封止材２４１、２４２のすべてをガラス材料（特に、テンパックス（登録商標）のようなガラス材料）で構成した場合、これらの熱膨張係数を一致させることができる。そのため、封止材２４１、２４２による封止時に原子セル２に生じる残留応力を小さく、その結果、クラックリスクを低減することができる。
【００５９】
このような胴体部２１の下面には、窓部２２が接合され、一方、胴体部２１の上面には、窓部２３が接合されている。これにより、貫通孔２１１、２１２、２１３のそれぞれの下端側開口が窓部２２により封鎖されるとともに、貫通孔２１１、２１２、２１３のそれぞれの上端側開口および溝２１４、２１５の開口が窓部２３により封鎖されている。そして、貫通孔２１１、２１２、２１３および溝２１４、２１５で構成された内部空間Ｓが気密空間として形成されている。
【００６０】
胴体部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、気密的に接合できるものであれば、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、表面活性化接合法等を用いることができるが、直接接合法または陽極接合法を用いることが好ましい。これにより、胴体部２１と窓部２２、２３とを簡単に気密的に接合することができ、原子セル２の信頼性を優れたものとすることができる。特に、胴体部２１および窓部２２、２３の構成材料がガラス材料である場合、胴体部２１と窓部２２、２３との接合方法としては、例えば、直接接合、溶融接合、オプティカル接合等が挙げられる。
【００６１】
このような胴体部２１に接合されている各窓部２２、２３は、板状をなし、前述した光源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、原子セル２の内部空間Ｓ内へ光ＬＬが入射する入射側窓部であり、他方の窓部２３は、原子セル２の内部空間Ｓ内から光ＬＬが出射する出射側窓部である。
【００６２】
特に、窓部２３には、内部空間Ｓ（より具体的には、貫通孔２１２内の空間Ｓ１）と外部との間を貫通する貫通孔２３１（第１貫通孔）が形成され、この貫通孔２３１は、封止材２４１（第１封止材）により封止されている。同様に、窓部２３には、内部空間Ｓ（より具体的には、貫通孔２１３内の空間Ｓ２）と外部との間を貫通している貫通孔２３２（第２貫通孔）が形成され、この貫通孔２３２は、封止材２４２（第２封止材）により封止されている。
【００６３】
封止材２４１、２４２の構成材料としては、貫通孔２３１、２３２を気密的に封止することができれば、特に限定されず、例えば、金属材料、ガラス材料等を用いることができるが、ガラス材料を用いることが好ましい。封止材２４１、２４２（第１、第２封止材）がそれぞれガラス材料で構成されていることにより、貫通孔２３１、２３２を簡単かつ確実に気密的に塞ぐことができる。また、封止材２４１、２４２がアルカリ金属の化学的特性に悪影響を与えることを低減することができる。
【００６４】
貫通孔２３１は、後に詳述するように、原子セル２を製造する際に、後述するコーティング膜２５を形成するためのコーティング材を内部空間Ｓに導入するのに用いる。一方、貫通孔２３２は、原子セル２を製造する際に、内部空間Ｓに導入したコーティング材によるコーティング時の排気に用いるとともに、コーティング後にアルカリ金属を内部空間Ｓに導入するのに用いる。
【００６５】
本実施形態では、貫通孔２３１、２３２の横断面形状は、それぞれ、円形をなしている（図２、図４参照）。なお、貫通孔２３１、２３２の横断面形状は、円形に限定されず、例えば、三角形、四角形、五角形等の多角形、楕円形等であってもよい。
【００６６】
また、貫通孔２３１、２３２は、幅が内部空間Ｓ側に向かうにつれて狭くなる形状をなしている。すなわち、本実施形態では、貫通孔２３１、２３２は、それぞれ、円錐台形をなしている。これにより、封止材２４１、２４２による封止前の貫通孔２３１、２３２内に封止材を留めて配置することができる。また、後に詳述するように内部空間Ｓに導入したコーティング材によるコーティング時に貫通孔２３２を通じて排気する際、コーティング材が貫通孔２３２の壁面に付着することを低減することができる。
【００６７】
窓部２２、２３（基板）の構成材料としては、前述したような励起光に対する透過性を有していれば、特に限定されず、例えば、ガラス材料、水晶等が挙げられるが、ガラス材料を用いることが好ましい。これにより、励起光に対する透過性を有する窓部２２、２３を実現することができる。また、胴体部２１がシリコンで構成されている場合、ガラスを用いて窓部２２、２３を構成することにより、胴体部２１と窓部２２、２３とを陽極接合により簡単に気密的に接合することができ、原子セル２の信頼性を優れたものとすることができる。なお、窓部２２、２３の厚さや励起光の強度によっては、窓部２２、２３をシリコンで構成することもできる。この場合、胴体部２１と窓部２２、２３とを直接接合することができる。
【００６８】
このような胴体部２１および窓部２２、２３により区画形成された内部空間Ｓには、気体状のアルカリ金属が収納されている。アルカリ金属としては、例えば、ガス状のルビジウム、セシウム、ナトリウム等が挙げられる。内部空間Ｓに収納されている気体状のアルカリ金属は、貫通孔２１１内において、光ＬＬによって励起される。すなわち、貫通孔２１１内の空間Ｓ３（第３空間）の少なくとも一部は、光ＬＬが通過する「光通過領域」を構成する。本実施形態では、貫通孔２１１の横断面は、円形をなしている。なお、貫通孔２１１の横断面形状は、円形に限定されず、例えば、四角形、五角形等の多角形、楕円形等であってもよい。また、原子セル２の内部空間Ｓ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。
【００６９】
また、内部空間Ｓの貫通孔２１２内の空間Ｓ１（第１空間）は、溝２１４（第１連通部）を介して貫通孔２１１内の空間Ｓ３（第３空間）に連通している。本実施形態では、貫通孔２１２の横断面は、円形をなしている。なお、貫通孔２１２の横断面形状は、円形に限定されず、例えば、五角形等の他の多角形、円形、楕円形等であってもよい。
【００７０】
この貫通孔２１２内の空間Ｓ１には、残渣Ｃが収納されている。この残渣Ｃは、コーティング膜２５の構成材料の前駆体またはその変性物である。このような残渣Ｃは、光ＬＬの通過領域に存在すると、周波数特性の劣化の原因となるが、貫通孔２１１内の空間Ｓ３とは離れた貫通孔２１２内の空間Ｓ１に配置されているため、周波数特性の劣化の原因となることを低減することができる。
【００７１】
また、内部空間Ｓの貫通孔２１３内の空間Ｓ２（第２空間）は、溝２１５（第２連通部）を介して貫通孔２１１内の空間Ｓ３（第３空間）に連通している。本実施形態では、貫通孔２１３の横断面は、円形をなしている。なお、貫通孔２１３の横断面形状は、円形に限定されず、例えば、五角形等の他の多角形、円形、楕円形等であってもよい。
【００７２】
この貫通孔２１３内の空間Ｓ２には、液体状または固体状のアルカリ金属Ｍが収納されている。この液体状または固体状のアルカリ金属Ｍは、内部空間Ｓ内の気体状のアルカリ金属と飽和蒸気圧で平衡状態となっており、これにより、内部空間Ｓ内の気体状のアルカリ金属を所定濃度に保つことができる。また、貫通孔２１１内の空間Ｓ３とは離れた貫通孔２１３内の空間Ｓ２にアルカリ金属Ｍを配置することにより、アルカリ金属Ｍが周波数特性に影響を与えるのを低減することができる。
【００７３】
なお、原子セル２の製造時にアルカリ金属を生成する化合物を用いた場合、貫通孔２１３内の空間Ｓ２には、その化合物またはその残渣が配置されていてもよい。また、貫通孔２１３内の空間Ｓ２には、所望のアルカリ金属ガスおよび緩衝ガス以外のガスを吸着または吸収する機能を有するゲッター材が配置されていてもよい。
【００７４】
以上説明したような内部空間Ｓの内壁面には、コーティング膜２５が形成されている。このコーティング膜２５は、気体状のアルカリ金属が内部空間Ｓの内壁面に衝突したときの挙動（例えばスピン）の変化を抑制または低減する機能を有する。これにより、原子セル２を小型化しても、アルカリ金属が原子セル２の内壁面に衝突することによる挙動の変化が特性に悪影響を与えるのを抑制し、原子発振器１の発振特性（特に周波数安定度）を優れたものとすることができる。
【００７５】
また、コーティング膜２５は、封止材２４１（第１封止材）の表面（内部空間Ｓ側の面）に配置されている部分を有する。これにより、第１連通部である溝２１４の断面積が大きくても、封止材２４１の表面が空間Ｓ３の気体状のアルカリ金属の挙動に影響を与えることを低減することができる。
【００７６】
このコーティング膜２５の構成材料は、フッ素系樹脂、シロキサン系化合物または鎖式飽和炭化水素を含んでいるのが好ましい。これにより、アルカリ金属がコーティング膜２５に衝突した際の挙動の変化を効果的に低減することができ、また、化学的安定性に優れる。また、コーティング材料の沸点をアルカリ金属の沸点よりも高くすることができる。
【００７７】
なお、コーティング膜２５の形成に用いるコーティング材、すなわち、コーティング膜２５の構成材料またはその前駆体については、後述する原子セル２の製造方法の説明においてより具体的に説明する。
【００７８】
以上説明したような原子セル２は、アルカリ金属と、アルカリ金属を収納している内部空間Ｓと、内部空間Ｓの内壁面に配置されているコーティング膜２５と、内部空間Ｓと外部との間を貫通している「第１貫通孔」である貫通孔２３１と、貫通孔２３１とは異なる位置に設けられ、内部空間Ｓと外部との間を貫通している「第２貫通孔」である貫通孔２３２と、貫通孔２３１を塞いでいる「第１封止材」である封止材２４１と、貫通孔２３２を塞いでいる「第２封止材」である封止材２４２と、を備える。そして、内部空間Ｓは、貫通孔２３１に接続されている「第１空間」である空間Ｓ１と、貫通孔２３２に接続されている「第２空間」である空間Ｓ２と、空間Ｓ１および空間Ｓ２とは異なる位置に配置されている「第３空間」である空間Ｓ３と、空間Ｓ１と空間Ｓ３とを連通させている「第１連通部」である溝２１４と、空間Ｓ２と空間Ｓ３とを連通させている「第２連通部」である溝２１５と、を有する。
【００７９】
このような原子セル２によれば、後に詳述するように、コーティング膜２５の形成に用いるコーティング材Ｃ１を空間Ｓ１に配置することができる。そのため、そのコーティング材Ｃ１の残渣Ｃが生じたとしても、当該残渣Ｃが空間Ｓ１に配置されることとなる。このように、空間Ｓ１に、コーティング膜２５の構成材料の前駆体または変性物である残渣Ｃが収納されているため、残渣Ｃが、空間Ｓ３にある気体状のアルカリ金属の挙動に影響を与えることを低減することができる。そのため、アルカリ金属を励起する光ＬＬを通過させる空間として空間Ｓ３を用いれば、当該残渣Ｃが周波数特性に与える影響を低減することができる。
【００８０】
また、空間Ｓ２に、液体状または固体状のアルカリ金属Ｍが収納されているため、液体状または固体状のアルカリ金属Ｍが、空間Ｓ３にある気体状のアルカリ金属の挙動に影響を与えることを低減することができる。そのため、アルカリ金属を励起する光ＬＬを通過させる空間として空間Ｓ３を用いることにより、液体状または固体状のアルカリ金属Ｍが周波数特性に与える影響を低減することができる。
【００８１】
さらに、原子セル２を製造する際、貫通孔２３１を内部空間Ｓへのコーティング材Ｃ１の導入に用いるとともに、貫通孔２３２をそのコーティング材Ｃ１によるコーティング時の排気および内部空間Ｓへのアルカリ金属Ｍの導入に用いることにより、空間Ｓ３の内壁面に良質なコーティング膜２５を容易に形成することができる。
【００８２】
このように、原子セル２は、アルカリ金属を励起する光ＬＬを通過させる空間として空間Ｓ３を用いれば、残渣Ｃ、液体状または固体状のアルカリ金属Ｍおよび内部空間Ｓの内壁面が周波数特性に与える影響を低減することができることから、優れた周波数特性を有する。
【００８３】
また、「第１貫通孔」である貫通孔２３１の幅が内部空間Ｓ側に向かうに従い狭くなる部分を有するため、後に詳述するように、貫通孔２３１を封止材２４１により塞ぐ際、封止材２４１となる材料（例えばガラスボール）を貫通孔２３１に安定的に載置することができる。その結果、封止材２４１による貫通孔２３１の封止の信頼性を優れたものとすることができる。
【００８４】
同様に、「第２貫通孔」である貫通孔２３２の幅が内部空間Ｓ側に向かうに従い狭くなる部分を有するため、貫通孔２３２を封止材２４２により塞ぐ際、封止材２４２となる材料（例えばガラスボール）を貫通孔２３２に安定的に載置することができる。その結果、封止材２４２による貫通孔２３２の封止の信頼性を優れたものとすることができる。また、貫通孔２３２を封止材２４２により塞ぐ前に、貫通孔２３２を通じて気体状のコーティング材を排気する際、貫通孔２３２の壁面（封止材２４２との接合面）にコーティング材が付着することを低減することができる。その結果、この点でも、封止材２４２による貫通孔２３２の封止の信頼性を優れたものとすることができる。
【００８５】
また、溝２１４の高さＨ１が溝２１５の高さＨ２よりも大きく、また、溝２１４の幅Ｗ１が溝２１５の幅Ｗ２よりも大きいことから、「第１連通部」である溝２１４のコンダクタンス（気体の流れやすさ表す量［ｍ３／ｓ］）が「第２連通部」である溝２１５のコンダクタンスよりも大きい。これにより、後に詳述するように、原子セル２を製造する際に、貫通孔２３１を封止材２４１により塞いだ状態で、空間Ｓ１に配置したコーティング材Ｃ１を加熱して、コーティング材Ｃ１の余剰分を貫通孔２３２から排気しつつコーティングを行うとき、気体状となったコーティング材の空間Ｓ３でのコーティングに必要な滞留時間を容易に確保することができる。また、空間Ｓ２に液体状または固体状のアルカリ金属Ｍを配置したときに、液体状または固体状のアルカリ金属Ｍが、空間Ｓ３にある気体状のアルカリ金属の挙動に影響を与えることを効果的に低減することができる。
【００８６】
ここで、前述したような効果を好適に発揮させる観点から、溝２１４のコンダクタンスをＣＡとし、溝２１５のコンダクタンスをＣＢとしたとき、ＣＡ／ＣＢは、１．１以上１０以下であることが好ましく、２以上５以下であることがより好ましい。これに対し、ＣＡ／ＣＢが小さすぎると、前述したような効果を得ることが難しくなる傾向を示し、一方、ＣＡ／ＣＢが大きすぎると、コーティング材の排気に長時間を要したり、得られるコーティング膜２５の厚さ、表面粗さ、配向性等が不均一になりやすくなったりする。
【００８７】
また、このような原子セル２を備える原子発振器１（量子干渉装置）によれば、優れた周波数特性を発揮することができる。
以上説明したような原子発振器１が備える原子セル２は、以下のようにして製造することができる。
【００８８】
（原子セルの製造方法）
以下、本発明の原子セルの製造方法について、前述した原子セル２を製造する場合を例に説明する。なお、以下では、胴体部２１がシリコンで構成され、窓部２２、２３がガラスで構成されている場合を例に説明する。
図５は、図２に示す原子セルの製造方法（本発明の原子セルの製造方法）を説明するフローチャートである。
【００８９】
原子セル２の製造方法は、図５に示すように、［１］容器準備工程Ｓ１０と、［２］コーティング材導入工程Ｓ２０と、［３］第１封止工程Ｓ３０と、［４］コーティング工程Ｓ４０と、［５］アルカリ金属導入工程Ｓ５０と、［６］第２封止工程Ｓ６０と、を有する。以下、各工程を順次説明する。
【００９０】
［１］容器準備工程Ｓ１０
図６は、図５に示す容器準備工程を説明する図である。
まず、図６に示すように、容器２０を用意する。この容器２０は、前述した原子セル２において封止材２４１、２４２による封止、コーティング膜２５の形成およびアルカリ金属の封入がなされる前の状態であって、胴体部２１および１対の窓部２２、２３を有する構造体である。
【００９１】
ここで、胴体部２１は、エッチング技術やフォトリソグラフィ技術を用いてシリコン基板を加工することで形成することができる。また、１対の窓部２２、２３は、それぞれ、エッチング技術やフォトリソグラフィ技術を用いてガラス基板を加工することで形成することができる。そして、胴体部２１と各窓部２２、２３とを陽極接合することで、容器２０を得る。なお、本工程では、複数の容器２０が連結するように、胴体部２１および１対の窓部２２、２３をそれぞれウエハーの状態で接合してもよい。この場合、本工程後の任意の工程（好ましくは第２封止工程後の工程）において、複数の容器２０が連結した構造体を容器２０ごとに個片化すればよい。
【００９２】
［２］コーティング材導入工程Ｓ２０
図７は、図５に示すコーティング材導入工程を説明する図である。
次に、図７に示すように、貫通孔２３１を通じてコーティング材Ｃ１を空間Ｓ１に導入して配置する。
【００９３】
このコーティング材Ｃ１は、コーティング膜２５の構成材料またはその前駆体で構成され、後述するコーティング工程Ｓ４０においてコーティング膜２５となる。また、コーティング材Ｃ１は、固体状態であり、貫通孔２３１を通過可能な大きさとなっている。なお、コーティング材Ｃ１を溶融状態として貫通孔２３１を通過させることも可能であるが、貫通孔２３１の壁面へのコーティング材Ｃ１の付着を防止する観点から、コーティング材Ｃ１を固体状態として貫通孔２３１を通過させることが好ましい。
【００９４】
コーティング材Ｃ１は、特に限定されないが、フッ素系樹脂、シロキサン系化合物および鎖式飽和炭化水素のうちのいずれかの化合物またはその前駆体であることが好ましい。
【００９５】
コーティング材Ｃ１に用いるフッ素系樹脂としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）、ペルフルオロアルコキシフッ素樹脂（ＰＦＡ）、四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体（ＦＥＰ）、エチレン・四フッ化エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、エチレン・クロロトリフルオロエチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）等が挙げられる。
【００９６】
また、コーティング材Ｃ１に用いるシロキサン系化合物としては、例えば、メチルトリメトキシシラン、ジメチルジメトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、ヘキシルトリメトキシシラン、ヘキシルトリエトキシシラン、デシルトリメトキシシラン、トリフルオロプロピルトリメトキシシラン等のアルコキシシラン、ヘキサメチルジシラザン等のシラザン、加水分解性基含有シロキサン等のシロキサン等が挙げられる。
【００９７】
また、コーティング材Ｃ１に用いる鎖式飽和炭化水素としては、例えば、パラフィン（炭素原子の数が２０以上のアルカン）等が挙げられる。
【００９８】
［３］第１封止工程Ｓ３０
図８は、図５に示す第１封止工程を説明する図である。
【００９９】
次に、図８に示すように、貫通孔２３１を封止材２４１により塞ぐ。より具体的には、貫通孔２３１にガラス材を配置した後、そのガラス材をエネルギービームにより溶融させることで、封止材２４１を形成する。このとき、必要に応じて、減圧下で封止を行う。また、エネルギービームとしては、例えば、レーザー、イオンビーム等を用いることができる。
【０１００】
［４］コーティング工程Ｓ４０
図９は、図５に示すコーティング工程を説明する図である。
【０１０１】
次に、図９に示すように、内部空間Ｓの内壁面にコーティング膜２５を形成する。より具体的には、空間Ｓ１内にあるコーティング材Ｃ１を局所的な熱Ｈにより加熱することにより、コーティング材Ｃ１を気化させ、その気化したコーティング材を内部空間Ｓ（特に空間Ｓ３）の内壁面に付着させ凝固・固化させることにより、コーティング膜２５を形成する。このとき、気化したコーティング材のうち、コーティングに供されなかった余剰のコーティング材は、図中の二点鎖線の矢印で示すように、貫通孔２３２を通じて外部へ排気される。また、コーティング材Ｃ１を加熱する方法としては、特に限定されないが、できるだけコーティング材Ｃ１のみを加熱することができる方法が好ましく、具体的には、例えば、レーザー、イオンビーム等のエネルギービームをコーティング材Ｃ１に照射する方法を用いることが好ましい。これにより、内部空間Ｓの内壁面の温度上昇を低減し、内部空間Ｓの内壁面の所望領域に所望厚さのコーティング膜２５を容易に形成することができる。
【０１０２】
また、コーティング材Ｃ１のうち、加熱により気化しなかったコーティング材またはその変性物がコーティング工程Ｓ４０の後に空間Ｓ１内に残渣Ｃとして残ることとなる。
【０１０３】
［５］アルカリ金属導入工程Ｓ５０
図１０は、図５に示すアルカリ金属導入工程を説明する図である。
【０１０４】
次に、図１０に示すように、空間Ｓ２にアルカリ金属Ｍを配置する。より具体的には、貫通孔２３２を通じて空間Ｓ２にアルカリ金属を導入することで、空間Ｓ２にアルカリ金属Ｍを配置する。このとき、貫通孔２３２を通過させるアルカリ金属は、液体状または固体状であることが好ましい。これにより、空間Ｓ２にアルカリ金属Ｍを容易に配置することができる。なお、貫通孔２３２を通過させるアルカリ金属が気体状であってもよい。この場合、後述する第２封止工程Ｓ６０後に、空間Ｓ２にアルカリ金属が液体または固体として析出（凝結）するように、原子セル２に温度分布を生じさせればよい。
【０１０５】
［６］第２封止工程Ｓ６０
図１１は、図５に示す第２封止工程を説明する図である。
次に、図１１に示すように、前述した第１封止工程Ｓ３０と同様、貫通孔２３２を封止材２４２により塞ぐ。
【０１０６】
以上説明したような原子セル２の製造方法は、容器準備工程Ｓ１０と、コーティング材導入工程Ｓ２０と、第１封止工程Ｓ３０と、コーティング工程Ｓ４０と、アルカリ金属導入工程Ｓ５０と、第２封止工程Ｓ６０と、を有する。そして、容器準備工程Ｓ１０において、内部空間Ｓと、内部空間Ｓと外部との間を貫通している貫通孔２３１、２３２（第１、第２貫通孔）と、を有する容器２０を準備する。コーティング材導入工程Ｓ２０において、貫通孔２３１を通じて内部空間Ｓ（より具体的には空間Ｓ１）にコーティング材Ｃ１を導入する。第１封止工程Ｓ３０において、貫通孔２３１を封止材２４１（第１封止材）により塞ぐ。コーティング工程Ｓ４０において、コーティング材Ｃ１を加熱して内部空間Ｓの内壁面にコーティング膜２５を形成する。アルカリ金属導入工程Ｓ５０において、貫通孔２３２を通じて内部空間Ｓにアルカリ金属Ｍを導入する。第２封止工程Ｓ６０において、貫通孔２３２を封止材２４２（第２封止材）により塞ぐ。
【０１０７】
このような原子セル２の製造方法によれば、第１封止工程Ｓ３０後にコーティング工程Ｓ４０を行うため、コーティング工程Ｓ４０において、加熱により気体状となったコーティング材を内部空間Ｓへの導入に用いた直近の貫通孔２３１から逃さずに遠位の貫通孔２３２から排気することができる。そのため、コーティング工程Ｓ４０において、気体状となったコーティング材を内部空間Ｓに適度に滞留させて内部空間Ｓの内壁面のコーティングに供するとともに、コーティングに供されなかった余剰分のコーティング材を貫通孔２３２から排気することができる。また、コーティング工程Ｓ４０において、貫通孔２３１が封止材２４１により封止されているため、封止材２４１の表面もコーティングすることができる。
【０１０８】
また、コーティング工程Ｓ４０後に、アルカリ金属導入工程Ｓ５０および第２封止工程Ｓ６０を順次行うため、コーティング工程Ｓ４０においてアルカリ金属Ｍがコーティングを阻害することがなく、コーティング前にアルカリ金属Ｍを内部空間Ｓに導入する場合に比べて、良質なコーティング膜２５を形成することができる。また、第２封止工程Ｓ６０を局所的な加熱により行うことが可能であるため、コーティング工程Ｓ４０で形成したコーティング膜２５が溶けて特性劣化することを低減することができる。
【０１０９】
このように、内部空間Ｓの内壁面に良質なコーティング膜２５を容易に形成することができることから、優れた周波数特性を有する原子セル２を容易に製造することができる。
【０１１０】
特に、容器準備工程Ｓ１０において、内部空間Ｓは、貫通孔２３１（第１貫通孔）に接続されている空間Ｓ１（第１空間）と、貫通孔２３２（第２貫通孔）に接続されている空間Ｓ２（第２空間）と、空間Ｓ１、Ｓ２とは異なる位置に配置されている空間Ｓ３（第３空間）と、空間Ｓ１と空間Ｓ３とを連通させている溝２１４（第１連通部）と、空間Ｓ２と空間Ｓ３とを連通させている溝２１５（第２連通部）と、を有する。そして、コーティング材導入工程Ｓ２０において、コーティング材Ｃ１を空間Ｓ１に配置する。
【０１１１】
このように、コーティング材導入工程Ｓ２０において、コーティング材Ｃ１を空間Ｓ１に配置することができる。そして、コーティング工程Ｓ４０において、加熱により気体状となったコーティング材をコーティングに供しながら空間Ｓ１から溝２１４、空間Ｓ３、溝２１５、空間Ｓ２へこの順で順次流通させて貫通孔２３２から排気し、空間Ｓ３の内壁面に良質なコーティング膜２５を形成することができる。また、コーティング工程Ｓ４０後にコーティング材Ｃ１の残渣Ｃが生じたとしても、当該残渣Ｃが空間Ｓ１に配置されることとなるため、アルカリ金属を励起する光ＬＬを通過させる空間として空間Ｓ３を用いれば、当該残渣Ｃが周波数特性に与える影響を低減することができる。
【０１１２】
また、アルカリ金属導入工程Ｓ５０において、液体状または固体状のアルカリ金属Ｍを空間Ｓ２に配置することができる。そして、第２封止工程Ｓ６０後においても、液体状または固体状のアルカリ金属Ｍが空間Ｓ２に配置されることとなるため、アルカリ金属を励起する光ＬＬを通過させる空間として空間Ｓ３を用いれば、液体状または固体状のアルカリ金属Ｍが周波数特性に与える影響を低減することができる。
【０１１３】
また、コーティング工程Ｓ４０において、溝２１４（第１連通部）のコンダクタンスが溝２１５（第２連通部）のコンダクタンスよりも大きいため、コーティング工程Ｓ４０において、気体状となったコーティング材の空間Ｓ３でのコーティングに必要な滞留時間を容易に確保することができる。また、空間Ｓ２に配置した液体状または固体状のアルカリ金属Ｍが、空間Ｓ３にある気体状のアルカリ金属の挙動に影響を与えることを効果的に低減することができる。
【０１１４】
＜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。
【０１１５】
図１２は、本発明の第２実施形態に係る原子セルの縦断面図である。
本実施形態は、第１貫通孔および第１封止材の配置が異なる以外は、前述した第１実施形態と同様である。
【０１１６】
なお、以下の説明では、第２実施形態に関し、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。
【０１１７】
図１２に示す原子セル２Ａ（ガスセル）は、胴体部２１Ａと、胴体部２１Ａを挟んで設けられた１対の窓部２２Ａ、２３Ａと、を有している。
【０１１８】
胴体部２１Ａには、胴体部２１Ａの厚さ方向（上下方向）に貫通している貫通孔２１１、２１２、２１３と、胴体部２１Ａの下面に開口していて貫通孔２１１と貫通孔２１２とを連通させている溝２１４Ａ（第１連通部）と、胴体部２１Ａの上面に開口していて貫通孔２１１と貫通孔２１３とを連通させている溝２１５（第２連通部）と、が形成されている。
【０１１９】
また、窓部２２Ａには、空間Ｓ１と外部との間を貫通する貫通孔２２１（第１貫通孔）が形成され、この貫通孔２２１は、封止材２４３（第１封止材）により封止されている。同様に、窓部２３Ａには、空間Ｓ２と外部との間を貫通している貫通孔２３２（第２貫通孔）が形成され、この貫通孔２３２は、封止材２４２（第２封止材）により封止されている。
【０１２０】
このように、原子セル２Ａでは、第１連通部である溝２１４Ａおよび第２連通部である溝２１５が胴体部２１Ａの厚さ方向で互いに反対側に位置している。そのため、原子セル２Ａを製造する際、コーティング工程において、気体状となったコーティング材の空間Ｓ３（第３空間）でのコーティングに必要な滞留時間を容易に確保するとともに、コーティングに適した気体状のコーティング材の対流（例えば、空間Ｓ３の内壁面に沿った流れ）を生じさせることができる。
【０１２１】
＜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。
【０１２２】
図１３は、本発明の第３実施形態に係る原子セルの横断面図である。
本実施形態は、第１貫通孔および第１封止材の配置が異なる以外は、前述した第１実施形態と同様である。
【０１２３】
なお、以下の説明では、第３実施形態に関し、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。
【０１２４】
図１３に示す原子セル２Ｂ（ガスセル）は、胴体部２１Ｂと、胴体部２１Ｂを挟んで設けられた１対の窓部２２、２３Ｂと、を有している。
【０１２５】
胴体部２１Ｂでは、胴体部２１Ｂを厚さ方向から見たとき、胴体部２１Ｂの互いに対角となる２つの角部に対応する位置に貫通孔２１２、２１３が位置している。
【０１２６】
これに対応して、窓部２３Ｂには、空間Ｓ１と外部との間を貫通する貫通孔２３１（第１貫通孔）、および、空間Ｓ２と外部との間を貫通している貫通孔２３２（第２貫通孔）が形成されている。
【０１２７】
このように、原子セル２Ｂでは、第１空間である空間Ｓ１と第２空間である空間Ｓ２との間に第３空間である空間Ｓ３が位置している。そのため、原子セル２Ｂを製造する際、コーティング工程において、気体状となったコーティング材の空間Ｓ３（第３空間）でのコーティングに必要な滞留時間を容易に確保するとともに、コーティングに適した気体状のコーティング材の対流（例えば、空間Ｓ３での均一な流れ）を生じさせることができる。
【０１２８】
２．電子機器
以上説明したような原子発振器１や原子セル２、２Ａ、２Ｂは、各種電子機器に組み込むことができる。
【０１２９】
以下、本発明の電子機器について説明する。なお、以下では、原子セル２を備える電子機器を代表して説明する。
【０１３０】
図１４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。
【０１３１】
図１４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。
【０１３２】
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。
【０１３３】
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を備える電子機器である。このような受信装置３０２は、優れた周波数特性を有する原子セル２を備えるため、優れた信頼性を発揮することができる。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。
【０１３４】
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。
【０１３５】
３．移動体
また、前述したような原子発振器１や原子セル２、２Ａ、２Ｂは、各種移動体に組み込むことができる。
【０１３６】
以下、本発明の移動体の一例について説明する。なお、以下では、原子セル２を備える電子機器を代表して説明する。
図１５は、本発明の移動体の一例を示す図である。
【０１３７】
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。
【０１３８】
以上のような移動体１５００は、優れた周波数特性を有する原子セル２を備えるため、優れた信頼性を発揮することができる。
【０１３９】
なお、本発明の電子機器は、前述したものに限定されず、例えば、携帯電話機、スマートフォン、タブレット端末、時計、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、地上デジタル放送、携帯電話基地局、ＧＰＳモジュール等に適用することができる。
【０１４０】
以上、本発明の原子セル、原子セルの製造方法、量子干渉装置、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。
【０１４１】
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。
【０１４２】
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。
【０１４３】
また、前述した実施形態では、波長の異なる２種類の光による量子干渉効果を利用してセシウム等を共鳴遷移させる量子干渉装置に本発明の原子セルを用いた場合を例として説明したが、本発明の原子セルは、これに限定されず、光およびマイクロ波による二重共鳴現象を利用してルビジウム等を共鳴遷移させる二重共鳴装置にも用いることができる。
【符号の説明】
【０１４４】
１…原子発振器、２…原子セル、２Ａ…原子セル、２Ｂ…原子セル、３…光源、４…光学系、５…光検出部、６…ヒーター、７…温度センサー、８…コイル、９…制御部、１０…パッケージ部、２０…容器、２１…胴体部、２１Ａ…胴体部、２１Ｂ…胴体部、２２…窓部、２２Ａ…窓部、２３…窓部、２３Ａ…窓部、２３Ｂ…窓部、２５…コーティング膜、４１…遮光部材、４２…光学部品、４３…光学部品、９１…光源制御部、９２…温度制御部、９３…磁場制御部、１００…測位システム、２００…ＧＰＳ衛星、２１１…貫通孔、２１２…貫通孔、２１３…貫通孔、２１４…溝（第１連通部）、２１４Ａ…溝（第１連通部）、２１５…溝（第２連通部）、２２１…貫通孔（第１貫通孔）、２３１…貫通孔（第１貫通孔）、２３２…貫通孔（第２貫通孔）、２４１…封止材（第１封止材）、２４２…封止材（第２封止材）、２４３…封止材（第１封止材）、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…ＧＰＳ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、１５００…移動体、１５０１…車体、１５０２…車輪、Ｃ…残渣、Ｃ１…コーティング材、Ｈ…熱、Ｈ１…高さ、Ｈ２…高さ、ＬＬ…光、Ｍ…アルカリ金属、Ｓ…内部空間、Ｓ１…空間（第１空間）、Ｓ１０…容器準備工程、Ｓ２…空間（第２空間）、Ｓ２０…コーティング材導入工程、Ｓ３…空間（第３空間）、Ｓ３０…第１封止工程、Ｓ４０…コーティング工程、Ｓ５０…アルカリ金属導入工程、Ｓ６０…第２封止工程、ａ…光軸、Ｗ１…幅、Ｗ２…幅
【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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【図１２】
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【図１３】
2018011100.tif 000015
【図１４】
2018011100.tif 000016
【図１５】
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