(57)【要約】【課題】アセンブリの容易さ、実装面積の低減化、及び耐振動性に優れた原子発振器を提供する。【解決手段】この物理パッケージ２０は、外部接続用のリード端子８を有するリードフレーム（支持部材）６と、ペルチェ素子５と、アルカリ金属原子に電磁誘起透過現象を発生させる共鳴光対を生成するための半導体レーザー（光源）１と、アルカリ金属原子を封入したセル３と、アルカリ金属原子を透過した共鳴光対を検出するＰＤ（光検出手段）４と、ペルチェ素子５の温度を検知するサーミスタ（温度検知素子）２と、を備え、リードフレーム６にペルチェ素子５を搭載し、ペルチェ素子５の上にサーミスタ２と、半導体レーザー１、セル３、及びＰＤ４を横並びに併設すると共に、リードフレーム６上に搭載した全ての部品の露出面を樹脂（封止部材）７により覆う構成とした。【選択図】図１
2011114181.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部接続用のリード端子を有する支持部材と、
ペルチェ素子と、
アルカリ金属原子に電磁誘起透過現象を発生させる共鳴光対を生成するための光源と、
前記アルカリ金属原子を封入したセルと、
前記アルカリ金属原子を透過した前記共鳴光対を検出する光検出手段と、
前記ペルチェ素子の温度を検知する温度検知素子と、を備え、
前記支持部材に前記ペルチェ素子、光源、セル、及び光検出手段を順次積層して積層体
を構成し、該積層体及び前記温度検知素子の露出面を封止部材により覆う構成としたこと
を特徴とする原子発振器。
【請求項２】
外部接続用のリード端子を有する支持部材と、
ペルチェ素子と、
アルカリ金属原子に電磁誘起透過現象を発生させる共鳴光対を生成するための光源と、
前記アルカリ金属原子を封入したセルと、
前記アルカリ金属原子を透過した前記共鳴光対を検出する光検出手段と、
前記ペルチェ素子の温度を検知する温度検知素子と、を備え、
前記支持部材に前記ペルチェ素子及び温度検知素子を搭載し、該ペルチェ素子に前記光
源、セル、及び光検出手段を併設すると共に、前記支持部材上に搭載した全て部品の露出
面を封止部材により覆う構成としたことを特徴とする原子発振器。
【請求項３】
前記ペルチェ素子を除いた構成とし、前記光源、セル、及び光検出手段を前記支持部材
上に直接併設することを特徴とする請求項２に記載の原子発振器。
【請求項４】
前記ペルチェ素子又は前記支持部材に前記光源、セル、及び光検出手段を併設するため
の溝を形成したことを特徴とする請求項２又は３に記載の原子発振器。
【請求項５】
前記封止部材を透明部材により構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の原子
発振器。
【請求項６】
前記光源の出射側と前記セルの入射側との間隙、及び該セルの出射側と前記光検出手段
の入射側との間隙を透明部材により充填することを特徴とする請求項１乃至５の何れか一
項に記載の原子発振器。
【請求項７】
前記封止部材の表面又は内層を少なくとも１層の断熱部材により覆うように構成したこ
とを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の原子発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子発振器に関し、さらに詳しくは、封止部材により封止された原子発振器
の構成に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ルビジウム、セシウム等のアルカリ金属を用いた原子発振器は、原子のエネルギ遷移を
利用する際に、原子をガス状態に保つ必要があるため、原子を気密封入したガスセルを一
定の温度に保って動作させている。原子発振器の動作原理は、光とマイクロ波を利用した
二重共鳴法と、２種類のレーザ光による量子干渉効果を利用する方法に大別されるが、両
者共にガスセルに入射した光が、原子ガスにどれだけ吸収されたかを反対側に設けられた
検出器で検出することにより、原子共鳴を検知して制御系にて水晶発振器などの基準信号
をこの原子共鳴に同期させて出力を得ている。
図８は従来の原子発振器の物理パッケージを模式化した図である。この図から明らかに
ように、従来の物理パッケージは、ペルチェ素子１０６、光源としての半導体レーザ１０
５、レーザ光を平行光に変換する平行レンズ１０８、光の位相を１／４波長偏光する１／
４波長板１０９、１１０、アルカリ金属原子１１５、セル１００及び光検出器１１３が積
層された構造である（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】ＵＳ６３２０４７２Ｂ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１に開示されている従来技術は、ペルチェ素子１０６、半導体レーザ
１０５、セル１００、光検出器１１３を個別の部品として温度などをコントロールしてお
り、個別部品を配置しただけの状態であるため、振動に対して特性が安定しないといった
問題がある。また、ユニバーサル基板への実装がしにくいといった問題もある。
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、レーザと光学系部品をペルチェ素
子と一体的に樹脂モールド化することにより、アセンブリの容易さ、実装面積の低減化、
及び耐振動性に優れた原子発振器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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
形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００６】
［適用例１］外部接続用のリード端子を有する支持部材と、ペルチェ素子と、アルカリ
金属原子に電磁誘起透過現象を発生させる共鳴光対を生成するための光源と、前記アルカ
リ金属原子を封入したセルと、前記アルカリ金属原子を透過した前記共鳴光対を検出する
光検出手段と、前記ペルチェ素子の温度を検知する温度検知素子と、を備え、前記支持部
材に前記ペルチェ素子、光源、セル、及び光検出手段を順次積層して積層体を構成し、該
積層体及び前記温度検知素子の露出面を封止部材により覆う構成としたことを特徴とする
。
【０００７】
本発明では、支持部材の上にペルチェ素子を設置し、更にその上に光源、セル、及び光
検出手段を順次積層する。また、温度検知素子はペルチェ素子の近傍に配置する。この状
態で縦積みの原子発振器が構成される。このままでは振動や外部環境からの影響を受け易
いので、積層体と温度検知素子の露出面を樹脂等の封止部材により覆うようにする。これ
により、支持部材単位でアセンブリが可能となり、実装面積が低減され、且つ振動に対し
て強い構造とすることができる。
【０００８】
［適用例２］外部接続用のリード端子を有する支持部材と、ペルチェ素子と、アルカリ
金属原子に電磁誘起透過現象を発生させる共鳴光対を生成するための光源と、前記アルカ
リ金属原子を封入したセルと、前記アルカリ金属原子を透過した前記共鳴光対を検出する
光検出手段と、前記ペルチェ素子の温度を検知する温度検知素子と、を備え、前記支持部
材に前記ペルチェ素子及び温度検知素子を搭載し、該ペルチェ素子に前記光源、セル、及
び光検出手段を併設すると共に、前記支持部材上に搭載した全ての部品の露出面を封止部
材により覆う構成としたことを特徴とする。
【０００９】
本発明では、支持部材にペルチェ素子と温度検知素子を搭載し、更にペルチェ素子の上
に光軸を合わせるように光源、セル、及び光検出手段を横並びに併設する。このままでは
振動や外部環境からの影響を受け易いので、支持部材上に搭載した全ての部品の露出面を
樹脂等の封止部材により覆うようにする。これにより、支持部材単位でアセンブリが可能
となり、低背化が可能となり、且つ振動に対して強い構造とすることができる。
【００１０】
［適用例３］前記ペルチェ素子を除いた構成とし、前記光源、セル、及び光検出手段を
前記支持部材上に直接併設することを特徴とする。
【００１１】
ペルチェ素子は外部から電流を供給することにより、対向する面の温度を制御すること
ができる。しかし、それだけ部品点数が増加することになり、小型化の阻害要因となる。
そこで本発明では、ペルチェ素子を除いて、温度制御を外部で行なうようにする。これに
より、部品点数の低減により原子発振器を小型化すると共に、低コスト化することができ
る。
【００１２】
［適用例４］前記ペルチェ素子又は前記支持部材に前記光源、セル、及び光検出手段を
併設するための溝を形成したことを特徴とする。
【００１３】
光源、セル、及び光検出手段を横並びに併設する場合、最も重要なことは光軸を合わせ
ることである。そこで本発明では、各部品を溝にセットしたときに光軸が合うように溝を
形成しておく。これにより、光軸合わせが必要なくなり、検査工数と製造コストの低減を
図ることができる。
【００１４】
［適用例５］前記封止部材を透明部材により構成したことを特徴とする。
【００１５】
一般的には封止部材である樹脂は外光の影響を遮断するために黒色をしている。そのた
め、光源、セル、及び光検出手段の接続部の隙間にこの封止部材が浸入すると光を妨げて
しまう虞がある。そこで本発明では、封止部材そのものを透明部材により構成するもので
ある。これにより、接続部の隙間に封止部材が浸入しても光を妨げることなく、部品を封
止することができる。
【００１６】
［適用例６］前記光源の出射側と前記セルの入射側との間隙、及び該セルの出射側と前
記光検出手段の入射側との間隙を透明部材により充填することを特徴とする。
【００１７】
一般的には封止部材である樹脂は外光の影響を遮断するために黒色をしている。そのた
め、光源、セル、及び光検出手段の接続部の隙間にこの封止部材が浸入すると光を妨げて
しまう虞がある。そこで本発明では、夫々の接続部の隙間に予め透明部材を充填しておき
、その後で全体を封止部材により封止する。これにより、外光を遮断しつつ接続部の隙間
に封止部材が浸入することを防止することができる。
【００１８】
［適用例７］前記封止部材の表面又は内層を少なくとも１層の断熱部材により覆うよう
に構成したことを特徴とする。
【００１９】
光源あるいはセルは、一定の温度に加熱する必要がある。従って、熱が封止部材の外部
から逃げないようにすることが、熱効率を高める上で重要である。そこで本発明では、封
止部材の表面や内層に断熱部材を配置する。この断熱部材は複数の層を設けるとその効果
が高まる。これにより、光源あるいはセルを加熱する熱源の熱効率を高めることができる
。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明第１の実施形態に係る原子発振器の物理パッケージの構成を示す図であり、（ａ）は内部の側面図、（ｂ）は内部の上面図、（ｃ）は樹脂によりパッケージングされた外観図である。
【図２】本発明第２の実施形態に係る原子発振器の物理パッケージの構成を示す図である。
【図３】本発明第３の実施形態に係る原子発振器の物理パッケージの構成を示す図である。
【図４】ペルチェ素子又はリードフレームに形成した部品の位置決め溝について説明する図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。
【図５】図２の実施形態に係る原子発振器を製造する工程を説明するフローチャートである。
【図６】本発明の物理パッケージ２０を他のＩＣチップと共に基板上に実装した様子を示す図である。
【図７】断熱材を備えた物理パッケージの構成を示す図であり、（ａ）は樹脂の表面に断熱材を備えた図、（ｂ）は樹脂の内部に１層の断熱材を備えた図、（ｃ）は樹脂の内部に２層の断熱材を備えた図である。
【図８】従来の原子発振器の物理パッケージを模式化した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記
載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限
り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
【００２２】
図１は本発明第１の実施形態に係る原子発振器の物理パッケージの構成を示す図である
。図１（ａ）は内部の側面図、図１（ｂ）は内部の上面図、図１（ｃ）は樹脂によりパッ
ケージングされた外観図である。この物理パッケージ２０は、外部接続用のリード端子８
を有するリードフレーム（支持部材）６と、ペルチェ素子５と、アルカリ金属原子に電磁
誘起透過現象を発生させる共鳴光対を生成するための半導体レーザー（光源）１と、アル
カリ金属原子を封入したセル３と、アルカリ金属原子を透過した共鳴光対を検出するＰＤ
（Photo Diode：光検出手段）４と、ペルチェ素子５の温度を検知するサーミスタ（温度
検知素子）２と、を備え、リードフレーム６にペルチェ素子５を搭載し、ペルチェ素子５
の上にサーミスタ２と、半導体レーザー１、セル３、及びＰＤ４を横並びに併設すると共
に、リードフレーム６上に搭載した全ての部品の露出面を樹脂部材（封止部材）７により
覆う構成とした。図１（ｂ）に示すように、半導体レーザー１、セル３、及びＰＤ４を横
並びに併設したときに、半導体レーザー１から出射される共鳴光の光軸が一致するように
配置する。そして、樹脂７によりモールド化することにより、図１（ｃ）に示すように一
見外観からは一般のＩＣチップと同じように見える。尚、サーミスタ２の位置は、ペルチ
ェ素子５に接触していればどこでも構わない。
このように、本実施形態では、リードフレーム６にペルチェ素子５とサーミスタ２を搭
載し、更にペルチェ素子５の上に光軸を合わせるように半導体レーザー１、セル３、及び
ＰＤ４を横並びに併設する。このままでは振動や外部環境からの影響を受け易いので、リ
ードフレーム６上に搭載した全ての部品の露出面を樹脂等の封止部材により覆うようにす
る。これにより、リードフレーム６単位でアセンブリが可能となり、低背化が可能となり
、且つ振動に対して強い構造とすることができる。
【００２３】
図２は本発明第２の実施形態に係る原子発振器の物理パッケージの構成を示す図である
。同じ構成要素には図１と同じ参照番号を付して説明する。この物理パッケージ２１は、
外部接続用のリード端子８を有するリードフレーム６と、ペルチェ素子５と、アルカリ金
属原子に電磁誘起透過現象を発生させる共鳴光対を生成するための半導体レーザー１と、
アルカリ金属原子を封入したセル３と、アルカリ金属原子を透過した共鳴光対を検出する
ＰＤ（Photo Diode：光検出手段）４と、ペルチェ素子５の温度を検知するサーミスタ２
と、を備え、リードフレーム６にペルチェ素子５、半導体レーザー１、セル３、及びＰＤ
４を順次積層して積層体を構成し、この積層体及びサーミスタ２の露出面を樹脂７により
覆う構成とした。
このように、本実施形態では、リードフレーム６の上にペルチェ素子５を設置し、更に
その上に半導体レーザー１、セル３、及びＰＤ４を順次積層する。また、サーミスタ２は
ペルチェ素子５の近傍に配置する。この状態で縦積みの原子発振器が構成される。このま
までは振動や外部環境からの影響を受け易いので、積層体とサーミスタ２の露出面を樹脂
等の封止部材により覆うようにする。これにより、リードフレーム６単位でアセンブリが
可能となり、実装面積が低減され、且つ振動に対して強い構造とすることができる。
【００２４】
図３は本発明第３の実施形態に係る原子発振器の物理パッケージの構成を示す図である
。同じ構成要素には図１と同じ参照番号を付して説明する。この物理パッケージ２２は、
図１の構成からペルチェ素子５を取り除いた構成である。そして半導体レーザー１、セル
３、及びＰＤ４をリードフレーム６上に直接併設する。即ち、ペルチェ素子５は外部から
電流を供給することにより、対向する面の温度を制御することができる。しかし、それだ
け部品点数が増加することになり、小型化の阻害要因となる。そこで本実施形態では、ペ
ルチェ素子５を除いて、温度制御を外部で行なうようにする。これにより、部品点数の低
減により原子発振器を小型化すると共に、低コスト化することができる。
また、一般的には封止部材である樹脂は外光の影響を遮断するために黒色をしている。
そのため、半導体レーザー１、セル３、及びＰＤ４の接続部の隙間にこの樹脂７が浸入す
ると光を妨げてしまう虞がある。そこで本実施形態では、樹脂７そのものを透明部材によ
り構成するものである。これにより、接続部の隙間に樹脂が浸入しても光を妨げることな
く、部品を封止することができる。
また、他の方法として、半導体レーザー１の出射側とセル３の入射側との間隙、及びセ
ル３の出射側とＰＤ４の入射側との間隙を透明部材により充填する方法がある。即ち、一
般的には封止部材である樹脂は外光の影響を遮断するために黒色をしている。そのため、
半導体レーザー１、セル３、及びＰＤ４の接続部の隙間にこの樹脂が浸入すると光を妨げ
てしまう虞がある。そこで本実施形態では、夫々の接続部の隙間に予め透明部材を充填し
ておき、その後で全体を樹脂７により封止する。これにより、外光を遮断しつつ接続部の
隙間に樹脂７が浸入することを防止することができる。
【００２５】
図４はペルチェ素子又はリードフレームに形成した部品の位置決め溝について説明する
図である。図４（ａ）は上面図、図４（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。即ち、半導体レーザ
ー１、セル３、及びＰＤ４を横並びに併設する場合、最も重要なことは光軸を合わせるこ
とである。そこで本実施形態では、各部品を溝９にセットしたときに光軸が合うように溝
９を形成しておく。これにより、光軸合わせが必要なくなり、検査工数と製造コストの低
減を図ることができる。
【００２６】
図５は図２の実施形態に係る原子発振器を製造する工程を説明するフローチャートであ
る。まず、リードフレーム６にペルチェ素子５をダイボンドする（Ｓ１）。次に、その上
に半導体レーザー１、セル３、ＰＤ４をダイボンドする（Ｓ２）。次に、各部品の端子と
リードフレーム６に備えられている外部接続用のリード端子８とをワイヤボンディングす
る（Ｓ３）。次に透明接着剤にて各部品の接続面を固定する（Ｓ４）。次に、樹脂により
樹脂モールド化する（Ｓ５）。
【００２７】
図６は本発明の物理パッケージ２０を他のＩＣチップと共に基板上に実装した様子を示
す図である。本発明の物理パッケージ２０は、外観的にはユニバーサルなＩＣパッケージ
と同様であるため、基板２４に形成されたプリントパターン２５により制御回路ＩＣ２３
と接続することにより、従来のＩＣパッケージを使用した実装と同様に製造ラインに流し
て基板２４を大量生産することが可能となる。
【００２８】
図７は断熱材を備えた物理パッケージの構成を示す図である。図７（ａ）は樹脂の表面
に断熱材を備えた図、図７（ｂ）は樹脂の内部に１層の断熱材を備えた図、図７（ｃ）は
樹脂の内部に２層の断熱材を備えた図である。図７（ａ）では、樹脂７の表面を覆うよう
に断熱材１０を備えている。また、図７（ｂ）は、樹脂７を形成する過程で断熱材１０を
１層形成し、その上から更に樹脂を覆った構成である。また、図７（ｃ）は樹脂７を形成
する過程で断熱材１０を２層形成し、その上から更に樹脂を覆った構成である。即ち、半
導体レーザー１あるいはセル３は、一定の温度に加熱する必要がある。従って、熱が樹脂
７の外部から逃げないようにすることが、熱効率を高める上で重要である。そこで本実施
形態では、樹脂７の表面や内層に断熱材１０を配置する。この断熱材１０は複数の層を設
けるとその効果が高まる。これにより、半導体レーザー１あるいはセル３を加熱する熱源
の熱効率を高めることができる。尚、断熱材としてフェノール樹脂に種々の変性を行い、
発泡硬化させて得られたフェノールフォームが優れている。
【符号の説明】
【００２９】
１  半導体レーザー、２  サーミスタ、３  セル、４  ＰＤ、５  ペルチェ素子、６  
リードフレーム、７  樹脂、８  リード端子、９  溝、１０  断熱材、２０、２１、２２
物理パッケージ、２３  制御回路ＩＣ、２４  基板、２５  プリントパターン
【図１】
2011114181.tif 000003
【図２】
2011114181.tif 000004
【図３】
2011114181.tif 000005
【図４】
2011114181.tif 000006
【図５】
2011114181.tif 000007
【図６】
2011114181.tif 000008
【図７】
2011114181.tif 000009
【図８】
2011114181.tif 000010