(57)【要約】【課題】緩衝ガスに含まれる気体分子の分圧の変動を抑制することができる周波数信号生成装置を提供する。【解決手段】光源と、気体のアルカリ金属原子および緩衝ガスが封入され、前記光源から出射された光が通過する原子セルと、前記緩衝ガスと共通の気体分子を含むガスが封入され、前記原子セルを収容する容器と、を含み、前記共通の気体分子の圧力は、前記原子セル内と前記容器内とで実質的に同じである、周波数信号生成装置。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
気体のアルカリ金属原子および緩衝ガスが封入され、前記光源から出射された光が通過する原子セルと、
前記緩衝ガスと共通の気体分子を含むガスが封入され、前記原子セルを収容する容器と、
を含み、
前記共通の気体分子の圧力は、前記原子セル内と前記容器内とで実質的に同じである、周波数信号生成装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記ガスは、前記共通の気体分子よりも前記原子セルの壁部に対する透過性が低い気体分子を含み、
前記ガスの全圧は、大気圧と実質的に同じである、周波数信号生成装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記緩衝ガスは、前記透過性が低い気体分子を含む、周波数信号生成装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項において、
前記原子セル内における前記緩衝ガスの圧力は、大気圧よりも小さい、周波数信号生成装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項において、
前記ガスは、前記共通の気体分子を複数種類含む、周波数信号生成装置。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項において、
前記原子セルを透過した光を受光する受光素子を含み、
前記容器は、前記光源および前記受光素子を収容する、周波数信号生成装置。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１項において、
前記共通の気体分子は、水素、ヘリウム、ネオン、窒素、アルゴン、またはクリプトンである、周波数信号生成装置。
【請求項８】
周波数信号生成装置を含む、周波数信号生成システムであって、
前記周波数信号生成装置は、
光源と、
気体のアルカリ金属原子および緩衝ガスが封入され、前記光源から出射された光が通過する原子セルと、
前記緩衝ガスと共通の気体分子を含むガスが封入され、前記原子セルを収容する容器と、
を含み、
前記共通の気体分子の圧力は、前記原子セル内と前記容器内とで実質的に同じである、周波数信号生成システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、周波数信号生成装置および周波数信号生成システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
周波数信号生成装置として、光源と、ルビジウム、セシウム等のアルカリ金属原子が封入された原子セルと、を備え、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。
【０００３】
例えば特許文献１には、金属原子および緩衝ガスが封入されている内部空間を有する原子セルが記載されており、緩衝ガスは、窒素ガスおよびアルゴンガスを含む混合ガスである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−１１９４４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特に分子量が小さい気体分子は、原子セルの壁部に対する透過性が高い。そのため、緩衝ガスに含まれる気体分子が原子セルから流出したり、外部に存在する気体分子が原子セルに流入したりする場合がある。これにより、緩衝ガスに含まれる気体分子の分圧が変化し、周波数安定度が低下する場合がある。
【０００６】
本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、緩衝ガスに含まれる気体分子の分圧の変動を抑制することができる周波数信号生成装置を提供することにある。また、本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、緩衝ガスに含まれる気体分子の分圧の変動を抑制することができる周波数信号生成システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は前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、以下の態様または適用例として実現することができる。
【０００８】
［適用例１］
本適用例に係る周波数信号生成装置は、光源と、気体のアルカリ金属原子および緩衝ガスが封入され、前記光源から出射された光が通過する原子セルと、前記緩衝ガスと共通の気体分子を含むガスが封入され、前記原子セルを収容する容器と、を含み、前記共通の気体分子の圧力は、前記原子セル内と前記容器内とで実質的に同じである。
【０００９】
本適用例に係る周波数信号生成装置では、緩衝ガスおよびガスに含まれる共通の気体分子の圧力は、原子セル内と容器内とで実質的に同じであるため、緩衝ガスに含まれる共通の気体分子が、原子セルの壁部を透過して、原子セルから流出したり、ガスに含まれる共通の気体分子が、原子セルの壁部を透過して、原子セル内に流入したりすることを抑制することができる。これにより、本適用例に係る周波数信号生成装置では、緩衝ガスに含まれる気体分子の分圧の変動を抑制することができる。
【００１０】
［適用例２］
本適用例に係る周波数信号生成装置において、前記ガスは、前記共通の気体分子よりも
前記原子セルの壁部に対する透過性が低い気体分子を含み、前記ガスの全圧は、大気圧と実質的に同じであってもよい。
【００１１】
本適用例に係る周波数信号生成装置では、ガスの全圧は、大気圧と実質的に同じであるため、ガスの全圧と大気圧との差によって容器の形状が変化して周波数安定度が低下することを抑制することができる。
【００１２】
［適用例３］
本適用例に係る周波数信号生成装置において、前記緩衝ガスは、前記透過性が低い気体分子を含んでもよい。
【００１３】
本適用例に係る周波数信号生成装置では、緩衝ガスおよびガスがともに透過性が低い気体分子を含むため、緩衝ガスおよびガスの一方が透過性が低い気体分子を含み、他方が透過性が低い気体分子を含まない場合よりも、透過性が低い気体分子が原子セルの壁部を透過することを、より確実に抑制することができる。
【００１４】
［適用例４］
本適用例に係る周波数信号生成装置において、前記原子セル内における前記緩衝ガスの圧力は、大気圧よりも小さくてもよい。
【００１５】
本適用例に係る周波数信号生成装置では、原子セル内における緩衝ガスの圧力は、大気圧よりも小さいため、ＥＩＴ（Electromagnetically Induced Transparency）信号の強度が大きい。
【００１６】
［適用例５］
本適用例に係る周波数信号生成装置において、前記ガスは、前記共通の気体分子を複数種類含んでもよい。
【００１７】
本適用例に係る周波数信号生成装置では、緩衝ガスに含まれる複数種類の共通の気体分子の分圧の変動を抑制することができる。
【００１８】
［適用例６］
本適用例に係る周波数信号生成装置において、前記原子セルを透過した光を受光する受光素子を含み、前記容器は、前記光源および前記受光素子を収容してもよい。
【００１９】
本適用例に係る周波数信号生成装置では、容器は、光源および受光素子を収容するため、容器に、光源から出射される光を透過させるための窓部を設ける必要がなく、ガスが窓部を透過して容器の外部に流出することを抑制することができる。
【００２０】
［適用例７］
本適用例に係る周波数信号生成装置において、前記共通の気体分子は、水素、ヘリウム、ネオン、窒素、アルゴン、またはクリプトンであってもよい。
【００２１】
本適用例に係る周波数信号生成装置では、共通の気体分子は上記のような分子であるため、緩衝ガスは、気体のアルカリ金属原子同士が衝突して周波数安定度が低下することを抑制することができる。
【００２２】
［適用例８］
本適用例に係る周波数信号生成システムは、周波数信号生成装置を含む、周波数信号生成システムであって、前記周波数信号生成装置は、光源と、気体のアルカリ金属原子およ
び緩衝ガスが封入され、前記光源から出射された光が通過する原子セルと、前記緩衝ガスと共通の気体分子を含むガスが封入され、前記原子セルを収容する容器と、を含み、前記共通の気体分子の圧力は、前記原子セル内と前記容器内とで実質的に同じである。
【００２３】
本適用例に係る周波数信号生成システムでは、緩衝ガスに含まれる気体分子の分圧の変動を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】実施形態に係る周波数信号生成装置を示す概略図。
【図２】実施形態に係る周波数信号生成装置を模式的に示す断面図。
【図３】実施形態に係る周波数信号生成装置を模式的に示す平面図。
【図４】実施形態に係る周波数信号生成装置の原子セルを模式的に示す断面図。
【図５】実施形態に係る周波数信号生成装置の原子セルを模式的に示す断面図。
【図６】実施形態に係る周波数信号生成装置の原子セルユニットおよび容器を模式的に示す断面図。
【図７】実施形態の第１変形例に係る周波数信号生成装置の原子セルユニットおよび容器を模式的に示す断面図。
【図８】実施形態の第２変形例に係る周波数信号生成装置の発光素子モジュール、原子セルユニット、容器、および仕切り板を模式的に示す断面図。
【図９】実施形態に係る周波数信号生成システムを示す概略構成図。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。
【００２６】
１．  周波数信号生成装置
１．１．  構成
まず、本実施形態に係る周波数信号生成装置について、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る周波数信号生成装置１００を示す概略図である。
【００２７】
周波数信号生成装置１００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原子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）現象とも言う。また、本発明に係る周波数信号生成装置は、光およびマイクロ波による二重共鳴現象を利用した原子発振器であってもよい。
【００２８】
周波数信号生成装置１００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ユニット５０と、を含む。以下、まず、周波数信号生成装置１００の概略について説明する。
【００２９】
発光素子モジュール１０は、ペルチェ素子１１と、発光素子１２と、温度センサー１３と、を有している。発光素子１２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。温度センサー１３は、発光素子１２の温度を検出する。ペルチェ素子１１は、発光素子１２の温度を調節する。
【００３０】
光学系ユニット３０は、減光フィルター３１と、レンズ３２と、１／４波長板３３と、を有している。減光フィルター３１は、発光素子１２から出射された光ＬＬの強度を減少させる。レンズ３２は、光ＬＬの放射角度を調整する。１／４波長板３３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。
【００３１】
原子セルユニット２０は、原子セル２１と、受光素子２２と、ヒーター２３と、温度センサー２４と、コイル２５と、を有している。
【００３２】
原子セル２１は、光透過性を有し、原子セル２１には、アルカリ金属原子が収容されている。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２１には、発光素子１２から出射された光ＬＬが減光フィルター３１、レンズ３２、および１／４波長板３３を介して入射する。そして、受光素子２２は、原子セル２１を通過した光ＬＬを受光し、検出する。
【００３３】
ヒーター２３は、原子セル２１に収容されたアルカリ金属原子を加熱し、アルカリ金属原子の少なくとも一部をガス状態とする。温度センサー２４は、原子セル２１の温度を検出する。コイル２５は、原子セル２１に収容されたアルカリ金属原子に所定方向の磁場を印加し、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。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信号の強度が大きくなる。その結果、周波数信号生成装置１００の発振特性を向上させることができる。
【００３４】
制御ユニット５０は、温度制御部５１と、光源制御部５２と、磁場制御部５３と、温度制御部５４と、を有している。温度制御部５１は、温度センサー２４の検出結果に基づいて、原子セル２１の内部が所望の温度となるように、ヒーター２３への通電を制御する。磁場制御部５３は、コイル２５が発生する磁場が一定となるように、コイル２５への通電を制御する。温度制御部５４は、温度センサー１３の検出結果に基づいて、発光素子１２の温度が所望の温度となるように、ペルチェ素子１１への通電を制御する。
【００３５】
光源制御部５２は、受光素子２２の検出結果に基づいて、ＥＩＴ現象が生じるように、発光素子１２から出射された光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２１に収容された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。光源制御部５２は、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）の出力信号を周波数信号生成装置１００の出力信号（クロック信号）として出力する。
【００３６】
以上、周波数信号生成装置１００の概略について説明した。以下、図２および図３に基づいて、周波数信号生成装置１００のより具体的な構成について説明する。
【００３７】
図２は、周波数信号生成装置１００を模式的に示す断面図である。図３は、周波数信号生成装置１００を模式的に示す平面図である。なお、図２は、図３のＩＩ−ＩＩ線断面図である。また、図２，３では、互いに直交する３軸として、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸を図示している。また、便宜上、図３では、容器６０の一部の図示を省略している。また、図３では、光学系ユニット３０のホルダー３４については、ＸＹ平面で切断した断面図を示
している。
【００３８】
周波数信号生成装置１００は、発光素子モジュール１０と、原子セルユニット２０と、光学系ユニット３０と、光学系ユニット３０を支持している支持部材４０と、発光素子モジュール１０および原子セルユニット２０に電気的に接続されている制御ユニット５０と、これらを収容している容器６０と、を含む。
【００３９】
ここで、Ｚ軸は、支持部材４０の設置面４２に垂直な軸であり、＋方向は、支持部材４０から配置されている部品へ向かう方向である。Ｘ軸は、発光素子モジュール１０からの光ＬＬに沿う軸であり、＋方向は、光の進む方向である。言い換えると、Ｘ軸は、発光素子モジュール１０と原子セルユニット２０との配列方向に沿う軸であり、＋方向は、発光素子モジュール１０から原子セルユニット２０へ向かう方向である。Ｙ軸は、Ｘ軸およびＺ軸に垂直な軸である。
【００４０】
発光素子モジュール１０は、ペルチェ素子１１と、発光素子１２と、温度センサー１３と、これらを収容しているパッケージ１４と、を有している。発光素子１２は、例えば、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）である。発光素子１２は、光ＬＬを出射する光源である。以下では、発光素子１２を光源１２とも言う。
【００４１】
光学系ユニット３０は、発光素子モジュール１０を保持している。光学系ユニット３０は、減光フィルター３１と、レンズ３２と、１／４波長板３３と、これらを保持しているホルダー３４と、を有している。
【００４２】
ホルダー３４には、貫通孔３５が設けられている。貫通孔３５は、光ＬＬの通過領域であり、貫通孔３５に、減光フィルター３１、レンズ３２、および１／４波長板３３がこの順で配置されている。図３に示すように、減光フィルター３１は、光ＬＬの光軸Ａを法線とする面に対して傾斜した姿勢で、図示しない接着剤等によりホルダー３４に対して固定されている。レンズ３２および１／４波長板３３は、それぞれ、光軸Ａを法線とする面に沿った姿勢で、図示しない接着剤等によりホルダー３４に対して固定されている。貫通孔３５の減光フィルター３１側（−Ｘ軸方向左側）の端部には、図示しない取付部材により発光素子モジュール１０が取り付けられている。ホルダー３４は、例えば、アルミニウム等の金属材料で構成されており、放熱性を有する。これにより、発光素子モジュール１０の放熱を効率的に行うことができる。
【００４３】
なお、光学系ユニット３０は、光源１２からの光ＬＬの強度、放射角度等によっては、減光フィルター３１およびレンズ３２のうちの少なくとも一方を省略することができる。また、光学系ユニット３０は、減光フィルター３１、レンズ３２、および１／４波長板３３以外の光学素子を有していてもよい。また、減光フィルター３１、レンズ３２、および１／４波長板３３の配置順は、図示の順に限定されず、任意である。
【００４４】
原子セルユニット２０は、原子セル２１と、受光素子２２と、ヒーター２３と、温度センサー２４と、コイル２５と、これらを収容しているパッケージ２６と、を有している。
【００４５】
原子セル２１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原子が収容されている。原子セル２１の詳細な説明は、後述する。
【００４６】
受光素子２２は、原子セル２１に対して発光素子モジュール１０とは反対側に配置されている。受光素子２２としては、原子セル２１の内部を透過した光ＬＬ（共鳴光対）の強度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
ド等の光検出器が挙げられる。
【００４７】
ヒーター２３は、図示しないが、例えば、原子セル２１の＋Ｚ軸方向側に配置されているか、または、金属等の熱伝導性部材を介して、原子セル２１に接続されている。ヒーター２３としては、原子セル２１を加熱することができれば、特に限定されないが、例えば、発熱抵抗体を有する各種ヒーター、ペルチェ素子等が挙げられる。
【００４８】
温度センサー２４は、図示しないが、例えば、原子セル２１またはヒーター２３の近傍に配置されている。温度センサー２４としては、原子セル２１またはヒーター２３の温度を検出することができれば、特に限定されないが、例えば、サーミスタ、熱電対等の公知の各種温度センサーが挙げられる。
【００４９】
コイル２５は、図示しないが、例えば、原子セル２１の外周に沿って巻回して設けられているソレノイド型のコイル、または、原子セル２１を介して対向するヘルムホルツ型の１対のコイルである。コイル２５は、原子セル２１の内部に光ＬＬの光軸Ａに沿った方向（平行な方向）の磁場を発生させる。これにより、原子セル２１に収容された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２５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。
【００５０】
パッケージ２６は、原子セル２１、受光素子２２、ヒーター２３、温度センサー２４、およびコイル２５を収容している。パッケージ２６は、原子セル２１、受光素子２２、ヒーター２３、温度センサー２４、およびコイル２５を直接的または間接的に支持している。パッケージ２６の外表面には、受光素子２２、ヒーター２３、温度センサー２４、およびコイル２５に電気的に接続されている複数の端子が設けられている。パッケージ２６には、光ＬＬに対する透過性を有する窓部２７が設けられている。
【００５１】
パッケージ２６の材質は、特に限定されないが、例えば、セラミックス、金属等である。パッケージ２６の材質に、例えば、パーマロイやコバール等を使用することにより、パッケージ２６を、磁気に対するシールドとして機能させてもよい。窓部２７の材質は、例えば、ガラス材料等である。パッケージ２６内は、大気圧よりも減圧されていることが好ましい。これにより、簡単かつ高精度に、原子セル２１の温度を制御することができる。その結果、周波数信号生成装置１００の特性を向上させることができる。
【００５２】
支持部材４０は、板状をなし、支持部材４０上には、原子セルユニット２０および光学系ユニット３０が載置されている。支持部材４０は、光学系ユニット３０のホルダー３４の下面の形状に沿った設置面４２を有する。設置面４２には、段差部４３が形成されている。段差部４３は、ホルダー３４の下面の段差部と係合して、ホルダー３４が原子セルユニット２０側（＋Ｘ軸方向側）へ移動するのを規制する。同様に、支持部材４０は、原子セルユニット２０のパッケージ２６の下面の形状に沿った設置面４４を有する。設置面４４には、段差部４５が形成されている。段差部４５は、パッケージ２６の端面と係合して、パッケージ２６が光学系ユニット３０側（−Ｘ軸方向側）へ移動するのを規制する。
【００５３】
このように、支持部材４０により、原子セルユニット２０および光学系ユニット３０の相対的な位置関係を規定することができる。そして、発光素子モジュール１０がホルダー３４に対して固定されているため、原子セルユニット２０および光学系ユニット３０に対する発光素子モジュール１０の相対的な位置関係も規定されることとなる。ここで、パッケージ２６およびホルダー３４は、それぞれ、図示しないネジ等の固定部材により、支持部材４０に対して固定されている。また、支持部材４０は、図示しないネジ等の固定部材
により、容器６０に対して固定されている。支持部材４０は、例えば、アルミニウム等の金属材料で構成されており、放熱性を有する。これにより、発光素子モジュール１０の放熱を効率的に行うことができる。
【００５４】
制御ユニット５０は、図３に示すように、回路基板５５と、回路基板５５に設けられている２つのコネクター５６ａ，５６ｂと、発光素子モジュール１０に接続されているリジット配線基板５７ａと、原子セルユニット２０に接続されているリジット配線基板５７ｂと、コネクター５６ａとリジット配線基板５７ａとを接続しているフレキシブル配線基板５８ａと、コネクター５６ｂとリジット配線基板５７ｂとを接続しているフレキシブル配線基板５８ｂと、回路基板５５を貫通している複数のリードピン５９と、を有している。
【００５５】
回路基板５５には、図示しないＩＣ（Integrated Circuit）チップが設けられている。ＩＣチップは、温度制御部５１，５４、光源制御部５２、および磁場制御部５３として機能する。回路基板５５には、支持部材４０が挿通されている貫通孔５５ａが設けられている。回路基板５５は、複数のリードピン５９を介して、容器６０に対して支持されている。複数のリードピン５９は、それぞれ、容器６０の内外を貫通しており、回路基板５５に電気的に接続されている。
【００５６】
なお、回路基板５５と発光素子モジュール１０とを電気的に接続する構成、および、回路基板５５と原子セルユニット２０とを電気的に接続する構成は、図示のコネクター５６ａ，５６ｂ、リジット配線基板５７ａ，５７ｂ、およびフレキシブル配線基板５８ａ，５８ｂに限定されず、それぞれ、他の公知のコネクターおよび配線であってもよい。
【００５７】
容器６０は、発光素子モジュール１０、原子セルユニット２０、光学系ユニット３０、支持部材４０、および制御ユニット５０を収容している。容器６０は、例えば、パーマロイやコバール等の金属材料で構成されており、磁気シールド性を有している。これにより、外部磁場が周波数信号生成装置１００の特性に悪影響を与えることを抑制することができる。
【００５８】
１．２．  原子セル
次に、原子セル２１について、詳細に説明する。図４は、原子セル２１を模式的に示す断面図である。図５は、原子セル２１を模式的に示す図４のＶ−Ｖ線断面図である。
【００５９】
光源１２から出射された光ＬＬは、原子セル２１を通過する。原子セル２１は、図４および図５に示すように、内部空間１１０と、壁部１２０と、を含む。内部空間１１０は、キャビティー１１２と、リザーバー１１４と、連通孔１１６と、を含む。
【００６０】
キャビティー１１２は、例えば、アルカリ金属原子の飽和蒸気圧となっている。図示の例では、キャビティー１１２の形状は、円筒状である。光ＬＬは、キャビティー１１２を通過する。
【００６１】
リザーバー１１４は、連通孔１１６を介して、キャビティー１１２と連通している。リザーバー１１４の体積は、キャビティー１１２の体積よりも小さい。図示の例では、リザーバー１１４の形状は、円筒状である。
【００６２】
原子セル２１は、気体のアルカリ金属原子Ｇｍおよび緩衝ガスＧｂを含む第１ガスＧ１が封入されている。第１ガスＧ１は、内部空間１１０に存在している。具体的には、第１ガスＧ１は、キャビティー１１２、リザーバー１１４、および連通孔１１６に存在している。
【００６３】
気体のアルカリ金属原子Ｇｍは、上述のように、例えば、ルビジウム、セシウム等である。気体のアルカリ金属原子Ｇｍは、ガス状である。リザーバー１１４は、キャビティー１１２よりも低温となるように温度調整される。そのため、リザーバー１１４には、液体のアルカリ金属原子Ｍが存在する。これにより、キャビティー１１２の気体のアルカリ金属原子Ｇｍが壁部１２０との反応等により減少した場合、液体のアルカリ金属原子Ｍが気化して、キャビティー１１２における気体のアルカリ金属原子Ｇｍの濃度を一定に保つことができる。気体のアルカリ金属原子Ｇｍは、液体のアルカリ金属原子Ｍと同じ種類のアルカリ金属原子である。
【００６４】
緩衝ガスＧｂは、例えば、水素ガス、ヘリウムガス、ネオンガス、窒素ガス、アルゴンガス、クリプトンガス、または、これらの混合ガス等である。緩衝ガスＧｂは、例えば、気体のアルカリ金属原子Ｇｍ同士が衝突して周波数信号生成装置１００の周波数安定度が低下することを抑制することができる。
【００６５】
壁部１２０は、内部空間１１０を規定している。壁部１２０は、例えば、直方体の外形形状を有している。壁部１２０は、本体部１２２と、窓部１２４，１２６と、を有している。本体部１２２には、２つの貫通孔が設けられている。該２つの貫通孔は、それぞれ、キャビティー１１２およびリザーバー１１４を構成している。窓部１２４，１２６は、本体部１２２を挟んで設けられている。窓部１２４，１２６の形状は、板状である。本体部１２２のキャビティー１１２とリザーバー１１４との間に位置する部分には、連通孔１１６が設けられている。
【００６６】
本体部１２２の材質は、例えば、シリコン、アルミノケイ酸ガラス、ホウケイ酸ガラス、石英ガラスなどである。本体部１２２は、例えば、シリコン基板やガラス基板などをエッチング等によって加工することにより形成される。窓部１２４，１２６は、光ＬＬを透過させる。窓部１２４，１２６の材質は、例えば、アルミノケイ酸ガラス、ホウケイ酸ガラス、石英ガラスなどである。本体部１２２と窓部１２４，１２６との接合としては、接着剤による接合、直接接合、陽極接合などが挙げられる。
【００６７】
ここで、図６は、周波数信号生成装置１００を模式的に示す断面図であって、周波数信号生成装置１００の原子セルユニット２０および容器６０のみを示している。なお、便宜上、図６では、原子セルユニット２０のヒーター２３、温度センサー２４、およびコイル２５の図示を省略している。
【００６８】
容器６０は、図６に示すように、原子セルユニット２０を収容している。すなわち、容器６０は、原子セル２１、および原子セル２１を透過した光を受光する受光素子２２を収容している。容器６０は、パッケージとも言える。さらに、容器６０は、図３に示すように、光源１２を収容している。容器６０の材質は、上述のように、例えば、パーマロイ、コバールなどである。容器６０は、図６に示すように、内部空間６２と、内部空間６２を規定している壁部６４と、を含む。
【００６９】
容器６０には、第２ガスＧ２が封入されている。第２ガスＧ２は、内部空間６２に存在している。第２ガスＧ２は、例えば、窓部２７を通過し、パッケージ２６内にも存在している。内部空間６２は、気密封止されている。
【００７０】
第２ガスＧ２は、緩衝ガスＧｂと共通の気体分子を含む。共通の気体分子の圧力は、原子セル２１内と容器６０内とで実質的に同じである。言い換えると、共通の気体分子の圧力は、原子セル２１の内部空間１１０と容器６０の内部空間６２とで実質的に同じである。
【００７１】
ここで、「共通の気体分子の圧力は、原子セル２１内と容器６０内とで実質的に同じである。」とは、原子セル２１内における共通の気体分子の圧力（第１圧力）と、容器６０内における共通の気体分子の圧力（第２圧力）とが同じ場合と、第１圧力と第２圧力との差が、第１圧力および第２圧力のうち大きい方の圧力の５０％以下の場合と、を含む。なお、第１圧力と第２圧力との差が、第１圧力および第２圧力のうち大きい方の圧力の２０％以下であることが、より好ましい。
【００７２】
例えば、第１圧力が１００ｔｏｒｒであり、第２圧力が１２０ｔｏｒｒである場合、第１圧力と第２圧力との差は、２０ｔｏｒｒであり、１２０ｔｏｒｒの２０％である２４ｔｏｒｒ以下である。そのため、この場合は、「共通の気体分子の圧力は、原子セル２１内と容器６０内とで実質的に同じである。」に該当する。本明細書において、１ｔｏｒｒは、１３３．３２Ｐａである。
【００７３】
なお、「容器６０内における共通の気体分子の圧力」とは、容器６０内であって、原子セル２１の外部における共通の気体分子の圧力である。例えば、容器６０の壁部６４とパッケージ２６との間における共通の気体分子の圧力と、パッケージ２６と原子セル２１の壁部１２０との間における共通の気体分子の圧力とは、同じである。
【００７４】
また、原子セル２１内における共通の気体分子の圧力、または容器６０内における共通の気体分子の圧力は、例えば、既知の温度および既知の雰囲気で、原子セル２１の壁部１２０、または容器６０の壁部６４を破壊し、四重極型質量分析計Ｍ−４０１ＱＡ−ＭＵ／Ｇ（キヤノンアネルバ株式会社製）や、高分解能マルチターン飛行時間型質量分析装置ｉｎｆｉＴＯＦ−ＵＨＶ（日本カノマックス株式会社製）を用いて、質量分析を行うことにより、求めることができる。
【００７５】
緩衝ガスＧｂおよび第２ガスＧ２に含まれる共通の気体分子は、例えば、水素、ヘリウム、ネオン、窒素、アルゴン、またはクリプトンである。気体分子は、ガス状である。共通の気体分子は、単原子分子であってもよい。緩衝ガスＧｂおよび第２ガスＧ２は、共通の気体分子を複数種類含んでいてもよし、共通の気体分子を１種類のみ含んでいてもよい。緩衝ガスＧｂおよび第２ガスＧ２は、複数種類の共通の気体分子のみから構成されていてもよいし、共通の気体分子以外の気体分子を含んでいてもよい。
【００７６】
図６に示す例では、緩衝ガスＧｂおよび第２ガスＧ２は、ヘリウムガスＧＨｅ、ネオンガスＧＮｅ、窒素ガスＧＮ２、およびアルゴンガスＧＡｒを含んでいる。ヘリウムガスＧＨｅ、ネオンガスＧＮｅ、窒素ガスＧＮ２、およびアルゴンガスＧＡｒの圧力の各々は、原子セル２１内と容器６０内とで実質的に同じである。図示の例では、緩衝ガスＧｂおよび第２ガスＧ２は、共通の気体分子を複数種類含み、かつ、複数種類の共通の気体分子のみから構成されている。
【００７７】
第１ガスＧ１の全圧は、大気圧よりも小さい。大気圧は、例えば、容器６０の外部における圧力である。大気圧は、例えば、７６０ｔｏｒｒである。第１ガスＧ１の全圧は、例えば、５０ｔｏｒｒ以上２００ｔｏｒｒ以下である。
【００７８】
第１ガスＧ１の全圧は、気体のアルカリ金属原子Ｇｍの分圧と、緩衝ガスＧｂの分圧と、の合計である。なお、気体のアルカリ金属原子Ｇｍの分圧は、緩衝ガスＧｂの分圧に比べて、非常に小さい。したがって、第１ガスＧ１の全圧を、原子セル２１内における緩衝ガスＧｂの圧力としてもよい。
【００７９】
第２ガスＧ２の全圧は、大気圧と実質的に同じである。ここで、「第２ガスＧ２の全圧は、大気圧と実質的に同じである。」とは、第２ガスＧ２の全圧が大気圧と同じである場
合と、第２ガスＧ２の全圧と大気圧との差が、第２ガスＧ２の全圧および大気圧のうち大きい方の圧力の２０％以下の場合と、を含む。なお、第２ガスＧ２の全圧が大気圧と同じである場合と、第２ガスＧ２の全圧と大気圧との差が、第２ガスＧ２の全圧および大気圧のうち大きい方の圧力の１０％以下であることが、より好ましい。
【００８０】
周波数信号生成装置１００では、例えば、所定の雰囲気で、原子セル２１を作製し、原子セル２１を作製した雰囲気において、原子セル２１を収容するように容器６０を作製することにより、緩衝ガスＧｂおよび第２ガスＧ２に含まれる共通の気体分子の圧力を、原子セル２１内と容器内６０とで実質的に同じにすることができる。
【００８１】
周波数信号生成装置１００は、例えば、以下の特徴を有する。
【００８２】
周波数信号生成装置１００では、緩衝ガスＧｂおよび第２ガスＧ２に含まれる共通の気体分子の圧力は、原子セル２１内と容器内６０とで実質的に同じである。そのため、緩衝ガスＧｂに含まれる共通の気体分子が、原子セル２１の壁部１２０を透過して、原子セル２１から流出したり、第２ガスＧ２に含まれる共通の気体分子が、原子セル２１の壁部１２０を透過して、原子セル２１内に流入したりすることを抑制することができる。これにより、周波数信号生成装置１００では、緩衝ガスＧｂに含まれる気体分子の分圧の変動を抑制することができる。その結果、周波数信号生成装置１００では、高い周波数安定度を有する。
【００８３】
例えば、緩衝ガスＧｂおよび第２ガスＧ２に含まれる共通の気体分子の圧力が原子セル２１内と容器内６０とで異なると、圧力の差が小さくなるように、気体分子が原子セル２１の壁部１２０を透過し、緩衝ガスＧｂに含まれる気体分子の分圧が変動する。特に水素やヘリウムは、分子量が小さく、壁部１２０を透過しやすい。
【００８４】
原子セル２１内における共通の気体分子の第１圧力と、容器６０内における共通の気体分子の第２圧力との差が、第１圧力および第２圧力のうち大きい方の圧力の２０％以下であれば、周波数信号生成装置１００の周波数安定度に影響が無い程度に、緩衝ガスＧｂに含まれる気体分子の分圧の変動を抑制することができる。
【００８５】
周波数信号生成装置１００では、第２ガスＧ２の全圧は、大気圧と実質的に同じである。そのため、周波数信号生成装置１００では、第２ガスＧ２の全圧と大気圧との差によって容器６０の壁部６４の形状が変化して周波数安定度が低下することを抑制することができる。第２ガスＧ２の全圧と大気圧との差が、第２ガスＧ２の全圧および大気圧のうち大きい方の圧力の２０％以下であれば、周波数信号生成装置１００の周波数安定度に影響が無い程度に、壁部６４の形状の変化を抑制することができる。
【００８６】
周波数信号生成装置１００では、原子セル２１内における緩衝ガスＧｂの圧力は、大気圧よりも小さい。そのため、周波数信号生成装置１００では、ＥＩＴ信号の強度が大きい。例えば、原子セル２１内における緩衝ガスＧｂの圧力が大気圧以上であると、気体のアルカリ金属原子が原子セル２１内において動き難くなり、ＥＩＴ信号の強度が小さくなる場合がある。
【００８７】
周波数信号生成装置１００では、第２ガスＧ２は、緩衝ガスＧｂおよび第２ガスＧ２に含まれる共通の気体分子を複数種類含む。周波数信号生成装置１００では、緩衝ガスＧｂに含まれる複数種類の共通の気体分子の分圧の変動を抑制することができる。
【００８８】
周波数信号生成装置１００では、容器６０は、光源１２および受光素子２２を収容する。そのため、容器６０に、光源１２から出射される光ＬＬを透過させるための窓部を設け
る必要がないので、第２ガスＧ２が窓部を透過して容器６０の外部に流出することを抑制することができる。
【００８９】
周波数信号生成装置１００では、緩衝ガスＧｂおよび第２ガスＧ２に含まれる共通の気体分子は、水素、ヘリウム、ネオン、窒素、アルゴン、またはクリプトンである。そのため、周波数信号生成装置１００では、緩衝ガスＧｂは、気体のアルカリ金属原子Ｇｍ同士が衝突して周波数安定度が低下することを抑制することができる。
【００９０】
周波数信号生成装置１００では、窓部１２４，１２６の材質は、アルミノケイ酸ガラスである。そのため、周波数信号生成装置１００では、窓部１２４，１２６の材質が石英ガラスである場合に比べて、気体分子が窓部１２４，１２６を透過することを抑制することができる。
【００９１】
なお、図示はしないが、本発明に係る原子セルは、リザーバー１１４および連通孔１１６を含んでいなくてもよい。言い換えると、本体部１２２のキャビティー１１２とリザーバー１１４と間の部分は、設けられていなくてもよい。
【００９２】
２．  周波数信号生成装置の変形例
２．１．  第１変形例
次に、本実施形態の第１変形例に係る周波数信号生成装置２００について、図面を参照しながら説明する。図７は、本実施形態の第１変形例に係る周波数信号生成装置２００を模式的に示す断面図であって、周波数信号生成装置２００の原子セルユニット２０および容器６０のみを示している。なお、便宜上、図７では、原子セルユニット２０のヒーター２３、温度センサー２４、およびコイル２５の図示を省略している。
【００９３】
以下、本実施形態の第１変形例に係る周波数信号生成装置２００において、上述した周波数信号生成装置１００の例と異なる点について説明し、同様の点については説明を省略する。このことは、後述する本実施形態の第２変形例に係る周波数信号生成装置において、同様である。
【００９４】
上述した周波数信号生成装置１００では、図６に示すように、緩衝ガスＧｂおよび第２ガスＧ２は、共通の気体分子を複数種類含み、かつ、複数種類の共通の気体分子のみから構成されていた。
【００９５】
これに対し、周波数信号生成装置２００では、図７に示すように、緩衝ガスＧｂおよび第２ガスＧ２は、複数種類の共通の気体分子のみから構成されていない。周波数信号生成装置２００では、第２ガスＧ２は、緩衝ガスＧｂおよび第２ガスＧ２に含まれる共通の気体分子よりも原子セル２１の壁部１２０に対する透過性が低い気体分子を含む。
【００９６】
図示の例では、緩衝ガスＧｂは、ヘリウムガスＧＨｅのみから構成され、第２ガスＧ２は、ヘリウムガスＧＨｅおよび窒素ガスＧＮ２のみから構成されている。窒素ガスＧＮ２は、ヘリウムガスＧＨｅよりも原子セル２１の壁部１２０に対する透過性が低いガスである。
【００９７】
なお、原子セル２１の壁部１２０に対するガスの透過性は、壁部１２０の材質に対する当該ガスの透過係数と言い換えることができる。ガスの透過係数は、ガス分子の種類およびガスが透過する対象物の材質に依存する、固有の値である。
【００９８】
また、緩衝ガスＧｂは、緩衝ガスＧｂおよび第２ガスＧ２に含まれる共通の気体分子よりも原子セル２１の壁部１２０に対する透過性が低い気体分子を含んでもよい。緩衝ガス
Ｇｂおよび第２ガスＧ２がともに透過性が低い気体分子を含むことにより、緩衝ガスＧｂおよび第２ガスＧ２の一方が透過性が低い気体分子を含み、他方が透過性が低い気体分子を含まない場合よりも、透過性が低い気体分子が原子セル２１の壁部１２０を透過することを、より確実に抑制することができる。また、例えば、緩衝ガスＧｂにおける透過性が低い気体分子の分圧と、第２ガスＧ２における透過性が低い気体分子の分圧と、を同じにすることにより、透過性が低い気体分子が原子セル２１の壁部１２０を透過することを、より確実に抑制することができる。
【００９９】
また、緩衝ガスＧｂおよび第２ガスＧ２は、共通の気体分子を複数種類含んでもよい。
【０１００】
２．２．  第２変形例
次に、本実施形態の第２変形例に係る周波数信号生成装置３００について、図面を参照しながら説明する。図８は、本実施形態の第２変形例に係る周波数信号生成装置３００を模式的に示す断面図であって、周波数信号生成装置３００の発光素子モジュール１０、原子セルユニット２０、容器６０、仕切り板７０、および容器８０のみを示している。なお、便宜上、図８では、原子セルユニット２０のヒーター２３、温度センサー２４、およびコイル２５の図示を省略している。
【０１０１】
周波数信号生成装置３００では、図８に示すように、容器６０の内部空間６２に仕切り板７０が設けられている点において、上述した周波数信号生成装置１００と異なる。
【０１０２】
周波数信号生成装置３００では、内部空間６２は、第１空間６２ａと第２空間６２ｂとを含む。第１空間６２ａと第２空間６２ｂとは、仕切り板７０によって仕切られている。第１空間６２ａには、発光素子モジュール１０が配置されている。第２空間６２ｂには、原子セルユニット２０が配置されている。仕切り板７０は、発光素子モジュール１０から出射された光を透過する。仕切り板７０の材質は、例えば、ガラスである。
【０１０３】
第１空間６２ａおよび第２空間６２ｂには、第２ガスＧ２が存在している。第２ガスＧ２は、仕切り板７０を透過することができる。
【０１０４】
容器８０は、容器６０を収容している。容器８０は、パッケージとも言える。容器８０の材質は、例えば、パーマロイ、コバールなどである。容器８０には、第２ガスＧ２が封入されていてもよい。
【０１０５】
３．  周波数信号生成システム
次に、本実施形態に係る周波数信号生成システム６００について、図面を参照しながら説明する。周波数信号生成システム６００は、クロック伝送システム（タイミングサーバー）６００ということもできる。図９は、クロック伝送システム６００を示す概略構成図である。
【０１０６】
本発明に係るクロック伝送システムは、本発明に係る周波数信号生成装置を含む。以下では、一例として、周波数信号生成装置１００を含むクロック伝送システム６００について説明する。
【０１０７】
クロック伝送システム６００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。
【０１０８】
クロック伝送システム６００は、図９に示すように、Ａ局（上位（Ｎ系））のクロック供給装置６０１およびＳＤＨ（Synchronous Digital Hierarchy）装置６０２と、Ｂ局（
上位（Ｅ系））のクロック供給装置６０３およびＳＤＨ装置６０４と、Ｃ局（下位）のクロック供給装置６０５およびＳＤＨ装置６０６，６０７と、を備える。クロック供給装置６０１は、周波数信号生成装置１００を有し、Ｎ系のクロック信号を生成する。クロック供給装置６０１内の周波数信号生成装置１００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６０８，６０９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。
【０１０９】
ＳＤＨ装置６０２は、クロック供給装置６０１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６０５に伝送する。クロック供給装置６０３は、周波数信号生成装置１００を有し、Ｅ系のクロック信号を生成する。クロック供給装置６０３内の周波数信号生成装置１００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６０８，６０９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６０４は、クロック供給装置６０３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６０５に伝送する。クロック供給装置６０５は、クロック供給装置６０１，６０３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。
【０１１１】
クロック供給装置６０５は、通常、クロック供給装置６０１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６０５は、クロック供給装置６０３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６０６は、クロック供給装置６０５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６０７は、クロック供給装置６０５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。
【０１１２】
周波数信号生成システム６００は、周波数信号生成装置１００を含む。そのため、周波数信号生成システム６００は、緩衝ガスＧｂに含まれる気体分子の分圧の変動を抑制することができる。
【０１１３】
また、周波数信号生成システム６００は、クロック伝送システム以外に、各種電子機器や通信システム等であってもよい。例えば、スマートフォン、タブレット端末、時計、携帯電話機、デジタルスチルカメラ、液体吐出装置（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、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、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、心磁計）、魚群探知機、ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）基準周波数標準器、各種測定機器、計器類（例えば、自動車、航空機、船舶の計器類）、フライトシミュレーター、地上デジタル放送システム、携帯電話基地局、移動体（自動車、航空機、船舶等）であってもよい。
【０１１４】
本発明は、本願に記載の特徴や効果を有する範囲で一部の構成を省略したり、各実施形態や変形例を組み合わせたりしてもよい。
【０１１５】
本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び
結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
【符号の説明】
【０１１６】
１０…発光素子モジュール、１１…ペルチェ素子、１２…発光素子、１３…温度センサー、１４…パッケージ、２０…原子セルユニット、２１…原子セル、２２…受光素子、２３…ヒーター、２４…温度センサー、２５…コイル、２６…パッケージ、２７…窓部、３０…光学系ユニット、３１…減光フィルター、３２…レンズ、３３…１／４波長板、３４…ホルダー、３５…貫通孔、４０…支持部材、４２…設置面、４３…段差部、４４…設置面、４５…段差部、５０…制御ユニット、５１…温度制御部、５２…光源制御部、５３…磁場制御部、５４…温度制御部、５５…回路基板、５５ａ…貫通孔、５６ａ，５６ｂ…コネクター、５７ａ，５７ｂ…リジット配線基板、５８ａ，５８ｂ…フレキシブル配線基板、５９…リードピン、６０…容器、６２…内部空間、６２ａ…第１空間、６２ｂ…第２空間、６４…壁部、７０…仕切り板、１００…周波数信号生成装置、１１０…内部空間、１１２…キャビティー、１１４…リザーバー、１１６…連通孔、１２０…壁部、１２２…本体部、１２４，１２６…窓部、２００，３００…周波数信号生成装置、６００…周波数信号生成システム、６０１…クロック供給装置、６０２…ＳＤＨ装置、６０３…クロック供給装置、６０４…ＳＤＨ装置、６０５…クロック供給装置、６０６，６０７…ＳＤＨ装置、６０８，６０９…マスタークロック
【図１】
2019087865.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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