(57)【要約】【課題】余剰分の金属原子による特性の低下を抑制することができる原子セルを提供すること、また、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】本発明のガスセル２は、アルカリ金属と、アルカリ金属が封入されている内部空間Ｓを構成している胴体部２１および窓部２２、２３と、を備え、胴体部２１の内壁面は、液体状のアルカリ金属Ｍの接触角が９０°よりも小さい保持部２４を有する。保持部２４に対する液体状のアルカリ金属の接触角は、７０°よりも小さいことが好ましく、６０°よりも小さいことがより好ましい。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属と、
前記金属が封入されている内部空間を構成している壁部と、
を備え、
前記壁部の内壁面は、液体状の前記金属との接触角が９０°よりも小さい金属接続部を有することを特徴とする原子セル。
【請求項２】
前記金属接続部に対する液体状の前記金属の接触角が７０°よりも小さい請求項１に記載の原子セル。
【請求項３】
前記金属接続部に対する液体状の前記金属の接触角が６０°よりも小さい請求項２に記載の原子セル。
【請求項４】
前記金属の一部が前記内部空間で液体状となっている請求項１ないし３のいずれか１項に記載の原子セル。
【請求項５】
前記内部空間は、前記液体状の金属が配置されている金属溜り部を有し、
前記金属接続部は、前記金属溜り部の内壁面に配置されている請求項４に記載の原子セル。
【請求項６】
前記金属接続部の表面粗さＲａは、１０ｎｍ以上９８０ｎｍ以下の範囲内にある請求項１ないし５のいずれか１項に記載の原子セル。
【請求項７】
前記金属接続部は、多孔質膜を含む請求項１ないし６のいずれか１項に記載の原子セル。
【請求項８】
前記金属溜り部の内壁面は、エッチングにより粗面化されている請求項１ないし６のいずれか１項に記載の原子セル。
【請求項９】
前記壁部は、シリコンおよびガラスのうちの少なくとも一方を含む材料で構成されている請求項１ないし８のいずれか１項に記載の原子セル。
【請求項１０】
前記壁部は、１対の窓部を有しており、
前記各窓部の前記内部空間側の面は、液体状の前記金属の接触角が前記金属接続部よりも大きい部分を有する請求項１ないし９のいずれか１項に記載の原子セル。
【請求項１１】
請求項１ないし１０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１２】
請求項１ないし１０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１３】
請求項１ないし１０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１４】
請求項１ないし１０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、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。
【０００４】
いずれの方式の原子発振器においても、通常、アルカリ金属をガスセル（原子セル）内に封入し、そのアルカリ金属を一定のガス状態に保つために、ガスセルをヒーターにより所定温度に加熱する。
【０００５】
ここで、一般に、ガスセル内のアルカリ金属は、そのすべてがガス化するのではなく、一部が余剰分として液体となる。このような余剰分のアルカリ金属原子は、ガスセルの温度の低い部分に析出（結露）することにより液体となるが、励起光の通過領域に存在すると、励起光を遮ってしまい、その結果、原子発振器の発振特性の低下を招くこととなる。
【０００６】
そこで、特許文献１に係るガスセルでは、アルカリ金属を析出させるための凹部がガスセルの内壁面に設けられている。
【０００７】
しかし、特許文献１に係るガスセルでは、凹部内に析出した余剰分のアルカリ金属が励起光の通過領域に比較的近くで面した状態で、熱拡散等により状態が時間的に変動しているため、励起されるガス状のアルカリ金属の一部が凹部内の余剰分のアルカリ金属と接触することにより、励起されるガス状のアルカリ金属の状態が不均一となり、その結果、発振特性が低下（例えば周波数変動）するという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１０−２０５８７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、余剰分の金属原子による特性の低下を抑制することができる原子セルを提供すること、また、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】
【００１０】
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。
【００１１】
［適用例１］
本発明の原子セルは、金属と、
前記金属が封入されている内部空間を構成している壁部と、
を備え、
前記壁部の内壁面は、液体状の前記金属との接触角が９０°よりも小さい金属接続部を有することを特徴とする。
【００１２】
このような原子セルによれば、液体状の金属に対する金属接続部の濡れ性が高いため、余剰の液体状の金属を金属接続部に濡れ拡がらせて安定的に保持させることができる。そのため、液体状の金属が移動したり振れたりするのを低減すること（すなわち、原子セル内の液体状の金属の挙動を安定化させること）ができ、その結果、余剰分の金属による特性の低下を抑制することができる。
【００１３】
［適用例２］
本発明の原子セルでは、前記金属接続部に対する液体状の前記金属の接触角が７０°よりも小さいことが好ましい。
これにより、液体状の金属に対する金属接続部の濡れ性を高めることができる。
【００１４】
［適用例３］
本発明の原子セルでは、前記金属接続部に対する液体状の前記金属の接触角が６０°よりも小さいことが好ましい。
これにより、液体状の金属に対する金属接続部の濡れ性をより高めることができる。
【００１５】
［適用例４］
本発明の原子セルでは、前記金属の一部が前記内部空間で液体状となっていることが好ましい。
【００１６】
このように液体状の金属が余剰分として内部空間に存在している場合、液体状の金属が移動したり振れたりすると、特性が低下する問題が生じる。したがって、かかる場合に、本発明を適用すると、その効果が顕著に発揮される。
【００１７】
［適用例５］
本発明の原子セルでは、前記内部空間は、前記液体状の金属が配置されている金属溜り部を有し、
前記金属接続部は、前記金属溜り部の内壁面に配置されていることが好ましい。
【００１８】
これにより、原子セルの特性の影響の少ない部位に、液体状の金属を留まらせておくことができる。
【００１９】
［適用例６］
本発明の原子セルでは、前記金属接続部の表面粗さＲａは、１０ｎｍ以上９８０ｎｍ以下の範囲内にあることが好ましい。
【００２０】
これにより、比較的簡単な構成で、余剰の液体状の金属を金属接続部に濡れ拡がらせて安定的に保持させることができる。
【００２１】
［適用例７］
本発明の原子セルでは、前記金属接続部は、多孔質膜を含むことが好ましい。
【００２２】
これにより、比較的簡単な構成で、余剰の液体状の金属を金属接続部に濡れ拡がらせて安定的に保持させることができる。
【００２３】
［適用例８］
本発明の原子セルでは、前記金属溜り部の内壁面は、エッチングにより粗面化されていることが好ましい。
【００２４】
これにより、比較的簡単な構成で、余剰の液体状の金属を金属接続部に濡れ拡がらせて安定的に保持させることができる。
【００２５】
［適用例９］
本発明の原子セルでは、前記壁部は、シリコンおよびガラスのうちの少なくとも一方を含む材料で構成されていることが好ましい。
【００２６】
これにより、原子セルに必要な基本的機能を確保しながら、エッチングや成膜により比較的簡単に金属接続部を形成することができる。
【００２７】
［適用例１０］
本発明の原子セルでは、前記壁部は、１対の窓部を有しており、
前記各窓部の前記内部空間側の面は、液体状の前記金属の接触角が前記金属接続部よりも大きい部分を有することが好ましい。
これにより、窓部に液体状の金属が付着するのを低減することができる。
【００２８】
［適用例１１］
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。
【００２９】
これにより、余剰分の金属原子による特性の低下を抑制することができる原子セルを備えた量子干渉装置を提供することができる。
【００３０】
［適用例１２］
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。
【００３１】
これにより、余剰分の金属原子による特性の低下を抑制することができる原子セルを備えた原子発振器を提供することができる。
【００３２】
［適用例１３］
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。
【００３３】
これにより、余剰分の金属原子による特性の低下を抑制することができる原子セルを備えた電子機器を提供することができる。
【００３４】
［適用例１４］
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。
【００３５】
これにより、余剰分の金属原子による特性の低下を抑制することができる原子セルを備えた移動体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【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】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】光出射部から出射される２つの光の周波数差と、光検出部で検出される光の強度との関係を示すグラフである。
【図４】図１に示す原子発振器が備える原子セルの斜視図である。
【図５】（ａ）は、図４に示す原子セルの横断面図、（ｂ）は、図４に示す原子セルの縦断面図である。
【図６】（ａ）は、図５に示す金属接続部（金属溜り部）における液体状の金属の状態を示す図、（ｂ）は、原子セルの内壁面に対する液体状の金属の接触角と周波数変動との関係を示すグラフである。
【図７】（ａ）は、本発明の第２実施形態に係る原子セルの横断面図、（ｂ）は、（ａ）に示す原子セルの縦断面図である。
【図８】図７に示す金属接続部（金属溜り部）における液体状の金属の状態を示す図である。
【図９】（ａ）は、本発明の第３実施形態に係る原子セルの横断面図、（ｂ）は、（ａ）に示す原子セルの縦断面図である。
【図１０】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１１】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】
【００３７】
以下、本発明の原子セル、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。
【００３８】
１．原子発振器（量子干渉装置）
まず、本発明の原子発振器（本発明の量子干渉装置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を原子発振器に適用した例を説明するが、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。
【００３９】
＜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、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、光出射部から出射される２つの光の周波数差と、光検出部で検出される光の強度との関係を示すグラフである。
【００４０】
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。この原子発振器１は、図１に示すように、ガスセル２（原子セル）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、磁場発生部８と、制御部１０とを備える。
【００４１】
まず、原子発振器１の原理を簡単に説明する。
図１に示すように、原子発振器１では、光出射部３がガスセル２に向けて励起光ＬＬを出射し、ガスセル２を透過した励起光ＬＬを光検出部５が検出する。
【００４２】
ガスセル２内には、ガス状のアルカリ金属（金属原子）が封入されており、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、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。
【００４３】
光出射部３から出射された励起光ＬＬは、周波数の異なる２種の共鳴光１、２を含んでおり、この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したとき、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。
【００４４】
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。
【００４５】
例えば、光出射部３が共鳴光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信号として検出する。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信号を用いることにより、発振器を構成することができる。
【００４６】
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。また、ガスセル２内には、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。
【００４７】
後に詳述するが、ガスセル２は、貫通孔を有する胴部と、この胴部の貫通孔の開口を塞ぐ１対の窓部とを有し、これにより、気体状のアルカリ金属と、余剰分である液体状または固体状のアルカリ金属とが封入される内部空間が形成さている。すなわち、貫通孔の内面が、内部空間に接触している。
【００４８】
［光出射部］
光出射部３（光源）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。
【００４９】
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。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（共鳴）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（共鳴）し得るものである。
【００５０】
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。
【００５１】
なお、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、所定温度に温度調節される。
【００５２】
［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の光路上に設けられている。ここで、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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
後述するように磁場発生部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。
【００５９】
これに対し、後述するように磁場発生部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。
【００６０】
［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。
【００６１】
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。
【００６２】
［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。
【００６３】
このヒーター６は、例えば、通電により発熱する発熱抵抗体を含んで構成されている。この発熱抵抗体は、ガスセル２に対して接触して設けられていてもよいし、ガスセル２に対して非接触で設けられていてもよい。
【００６４】
例えば、発熱抵抗体をガスセル２に対して接触して設ける場合、ガスセル２の１対の窓部にそれぞれ発熱抵抗体を設ける。これにより、ガスセル２の窓部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。このような発熱抵抗体は、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。
【００６５】
また、発熱抵抗体をガスセル２に対して非接触で設ける場合、熱伝導性に優れる金属等、セラミックス等の部材を介して発熱抵抗体からガスセル２へ伝熱すればよい。
【００６６】
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、前述した形態に限定されず、各種ヒーターを用いることができる。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。
【００６７】
［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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
［磁場発生部］
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磁場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。
【００７１】
この磁場発生部８は、例えば、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、または、ガスセル２を覆うように配置されたソレノイドコイルで構成されている。これにより、ガスセル２内に一方向の均一な磁場を生じさせることができる。
【００７２】
また、磁場発生部８が発生する磁場は、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。
【００７３】
［制御部］
制御部１０は、光出射部３、ヒーター６および磁場発生部８をそれぞれ制御する機能を有する。
【００７４】
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、磁場発生部８からの磁場を制御する磁場制御部１３とを有する。
【００７５】
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、前述した周波数差（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。
【００７６】
ここで、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、その電圧制御型水晶発振器の出力信号を原子発振器１の出力信号として出力する。
【００７７】
例えば、励起光制御部１２は、図示しないが、この電圧制御型水晶発振器からの出力信号を周波数逓倍する逓倍器を備えており、この逓倍器により逓倍された信号（高周波信号）を直流バイアス電流に重畳して駆動信号として光出射部３に入力する。これにより、光検出部５でＥＩＴ信号が検出されるように電圧制御型水晶発振器を制御することで、電圧制御型水晶発振器から所望の周波数の信号が出力されることとなる。この逓倍器の逓倍率は、例えば、原子発振器１からの出力信号の所望の周波数をｆとしたとき、ω０／（２×ｆ）である。これにより、電圧制御型水晶発振器の発振周波数がｆであるとき、逓倍器からの信号を用いて、光出射部３に含まれる半導体レーザー等の発光素子を変調して、周波数差（ω１−ω２）がω０となる２つの光を出射させることができる。
【００７８】
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。例えば、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。
【００７９】
また、磁場制御部１３は、磁場発生部８が発生する磁場が一定となるように、磁場発生部８への通電を制御する。
【００８０】
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。
以上、原子発振器１の構成を簡単に説明した。
【００８１】
（ガスセルの詳細な説明）
図４は、図１に示す原子発振器が備える原子セルの斜視図、図５（ａ）は、図４に示す原子セルの横断面図、図５（ｂ）は、図４に示す原子セルの縦断面図である。
【００８２】
なお、図４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）」という。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。また、＋Ｚ軸方向側を「上」、−Ｚ軸方向側を「下」ともいう。
【００８３】
図４および図５に示すように、ガスセル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。
【００８４】
胴体部２１には、Ｚ軸方向に貫通している貫通孔２１１が形成されている。この貫通孔２１１は、円柱状の貫通孔２１１ａ、２１１ｂと、貫通孔２１１ａ、２１１ｂ間を連通させるスリット状の貫通孔２１１ｃとで構成されている。ここで、貫通孔２１１ｂの内壁面には、液体状のアルカリ金属Ｍを保持させる保持部２４（金属接続部）が設けられている。なお、保持部２４については、後に詳述する。
【００８５】
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、シリコン材料を用いることがより好ましい。これにより、幅や高さが１０ｍｍ以下となるような小さいガスセル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。
【００８６】
そして、胴体部２１の−Ｚ軸方向側の端面（下端面）には、窓部２２が接合され、一方、胴体部２１の＋Ｚ軸方向側の端面（上端面）には、窓部２３が接合されている。これにより、貫通孔２１１の両端開口が封鎖され、貫通孔２１１ａによる空間Ｓ１と、貫通孔２１１ｂによる空間Ｓ２と、貫通孔２１１ｃによる空間Ｓ３とを有する内部空間Ｓが形成されている。この内部空間Ｓには、アルカリ金属が収納されている。ここで、胴体部２１および１対の窓部２２、２３は、アルカリ金属が封入されている内部空間Ｓを構成している「壁部」であるといえる。
【００８７】
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、陽極接合法等を用いることができる。
【００８８】
空間Ｓ１は、主に、気体状のアルカリ金属が収納されており、この空間Ｓ１内に収納されている気体状のアルカリ金属は、励起光ＬＬによって励起される。すなわち、空間Ｓ１は、励起光ＬＬが通過する「光通過空間」を構成する。本実施形態では、空間Ｓ１の横断面は、円形をなしており、一方、光通過空間の横断面は、空間Ｓ１の横断面と相似形状をなし、かつ、空間Ｓ１の横断面よりも若干小さく設定されている。なお、空間Ｓ１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。
【００８９】
空間Ｓ２は、液体状または固体状のアルカリ金属Ｍが収納されている金属溜り部である。この空間Ｓ２は、空間Ｓ３を介して空間Ｓ１に連通している。したがって、アルカリ金属Ｍは、空間Ｓ１内の気体状のアルカリ金属が不足したとき、その蒸気圧を保とうとするために気体状となって、励起光ＬＬの励起に供される。この空間Ｓ２の幅（ＸＹ平面に沿った断面の長さ）は、空間Ｓ１の幅よりも狭い。これにより、ガスセル２の小型化を図ることができる。
【００９０】
このような空間Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３は、前述したように、胴体部２１に形成されている貫通孔２１１の両端開口が１対の窓部２２、２３により封鎖されることにより形成されている。これにより、空間Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３を有する小型なガスセル２を高精度かつ簡単に形成することができる。具体的には、例えば、シリコン基板やガラス基板等の基板をエッチング等の微細加工技術を用いて加工することにより、小型でかつ高精度な胴体部２１を容易かつ効率的に作成することができる。そのため、小型なガスセル２を高精度かつ簡単に形成することができる。特に、ＣＰＴを利用した方式の原子発振器は、二重共鳴現象を利用した方式の原子発振器に比し、小型化に向いており、近年、様々な機器への組み込みが期待され、さらなる小型化の要請も強いことから、小型なガスセル２を高精度かつ簡単に形成することができるという効果は、ＣＰＴを利用した方式の原子発振器１において重要となる。
【００９１】
このような空間Ｓ２の具体的な幅は、余剰分のアルカリ金属Ｍの体積やガスセル２全体の体積等に応じて決められるものであり、特に限定されないが、０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下であることが好ましく、０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下であることがより好ましい。
【００９２】
また、本実施形態では、図５（ａ）に示すように、Ｚ軸方向から見たとき、空間Ｓ２が円形をなしている。なお、空間Ｓ２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。
【００９３】
また、空間Ｓ１と空間Ｓ２とを連通させている空間Ｓ３は、Ｚ軸方向から見たとき、直線的に延びた形状をなしている。なお、空間Ｓ３の横断面形状は、屈曲または湾曲した部分を有していてもよい。
【００９４】
このような空間Ｓ３の幅は、空間Ｓ２よりも狭い。これにより、アルカリ金属Ｍを収納する空間Ｓ２の大きさを確保しつつ、空間Ｓ１内の気体状のアルカリ金属に対するアルカリ金属Ｍの影響を低減することができる。なお、空間Ｓ３の幅は、空間Ｓ２の幅と同じであってもよい。また、空間Ｓ３は、空間Ｓ１と空間Ｓ２とを連通させることができればよく、胴体部２１のＺ軸方向の全域にわたらずに一部に形成されていてもよい。この場合、胴体部２１のＺ軸方向での一端側の面に溝を形成すればよい。
【００９５】
このような胴体部２１に接合されている各窓部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の空間Ｓ１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の空間Ｓ１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、板状をなしている。
【００９６】
窓部２２、２３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、特に限定されないが、例えば、ガラス材料、水晶等が挙げられる。窓部２２、２３をガラス材料で構成した場合、シリコン材料で構成された胴体部２１と窓部２２、２３とを陽極接合法により簡単に気密的に接合することができる。なお、窓部２２、２３の厚さや励起光の波長や強度によっては、窓部２２、２３をシリコンで構成することもできる。
【００９７】
以上説明したように構成されたガスセル２は、前述したように、アルカリ金属の一部が内部空間Ｓで液体状のアルカリ金属Ｍとして存在している。このように液体状のアルカリ金属Ｍが余剰分として内部空間Ｓに存在している場合、液体状のアルカリ金属Ｍが移動したり振れたりすると、特性が低下する問題が生じる。
【００９８】
そこで、前述したように、貫通孔２１１ｂの内壁面に、液体状のアルカリ金属Ｍを保持する保持部２４（金属接続部）が設けられている。以下、保持部２４について詳述する。
【００９９】
図６（ａ）は、図５に示す金属接続部（金属溜り部）における液体状の金属の状態を示す図、図６（ｂ）は、原子セルの内壁面に対する液体状の金属の接触角と周波数変動との関係を示すグラフである。
【０１００】
保持部２４は、図６（ａ）に示すように、液体状のアルカリ金属Ｍの接触角θが９０°よりも小さくなるように構成されている。これにより、液体状のアルカリ金属Ｍに対する保持部２４の濡れ性が高いため、余剰の液体状のアルカリ金属Ｍを保持部２４に濡れ拡がらせて安定的に保持させることができる。そのため、液体状のアルカリ金属Ｍが移動したり振れたりするのを低減すること（すなわち、ガスセル２内の液体状のアルカリ金属Ｍの挙動を安定化させること）ができ、その結果、余剰分のアルカリ金属Ｍによる特性の低下を抑制することができる。
【０１０１】
本実施形態では、保持部２４は、金属溜り部である空間Ｓ２に配置されているため、ガスセル２の特性の影響の少ない部位に、液体状のアルカリ金属Ｍを留まらせておくことができる。
【０１０２】
この保持部２４は、図６（ａ）に示すように、貫通孔２１１ｂの内壁面を粗面化処理することによって形成されている。すなわち、保持部２４は、微細な複数の凹部または凸部で構成されている。本実施形態では、保持部２４は、エッチングにより粗面化されている。これにより、比較的簡単な構成で、余剰の液体状のアルカリ金属Ｍを保持部２４に濡れ拡がらせて安定的に保持させることができる。例えば、胴体部２１および窓部２２、２３がシリコンまたはガラスで構成されている場合、フッ素プラズマを用いたドライエッチングにより、前述したような保持部２４の凹部または凸部を形成することができる。
【０１０３】
また、このような粗面化処理は、胴体部２１と窓部２２、２３との接合面を除く面に行うことが好ましい。これにより、胴体部２１と窓部２２、２３との気密的な接合を簡単かつ確実に行うことができる。
【０１０４】
また、このような粗面化処理は、窓部２２、２３の励起光ＬＬが通過する面を除いて行うことが好ましい。このように、１対の窓部２２、２３が、液体状のアルカリ金属Ｍの接触角が保持部２４よりも大きい部分を有することにより、窓部２２、２３に液体状のアルカリ金属が付着するのを低減することができる。特に、窓部２２、２３の励起光ＬＬが通過する面に液体状のアルカリ金属が付着することによる特性の低下を防止できる。
【０１０５】
また、保持部２４に対する液体状のアルカリ金属Ｍの接触角θは、０°よりも大きく、かつ、９０°よりも小さい範囲内にあれば、図６（ｂ）に示すように、１日当たりの周波数変動量Δｆを効果的に小さくすることができるが、保持部２４に対する液体状のアルカリ金属Ｍの濡れ性をより高める観点から、７０°よりも小さいことが好ましく、６０°よりも小さいことがより好ましい。
【０１０６】
また、前述したように窓部２２、２３の励起光ＬＬが通過する面に液体状のアルカリ金属が付着することによる特性の低下を防止する観点から、窓部２２、２３の励起光ＬＬが通過する面（内壁面）に対する液体状のアルカリ金属の接触角は、９０°以上であることが好ましく、１００°以上であることがより好ましい。
【０１０７】
また、保持部２４の中心線平均粗さＲａ（以下、表面粗さＲａ）は、１０ｎｍ以上９８０ｎｍ以下の範囲内にあることが好ましく、１００ｎｍ以上８００ｎｍ以下の範囲内にあることがより好ましく、３００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の範囲内にあることがさらに好ましい。これにより、比較的簡単な構成で、余剰の液体状のアルカリ金属Ｍを保持部２４に濡れ拡がらせて安定的に保持させることができる。なお、このような表面粗さＲａは、ＪＩＳ  Ｂ０６０１：２００１に基づき、例えば、触針式の表面粗さ計、レーザー等を用いた非接触式表面粗さ計、および原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）などを用いて測定することができる。
【０１０８】
また、胴体部２１および窓部２２、２３は、それぞれ、シリコンまたはガラスで構成されていることが好ましい。これにより、ガスセル２に必要な基本的機能を確保しながら、エッチングや成膜により前述したような複数の凹部または凸部を有する保持部２４を比較的簡単に形成することができる。
【０１０９】
＜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。
【０１１０】
図７（ａ）は、本発明の第２実施形態に係る原子セルの横断面図、図７（ｂ）は、図７（ａ）に示す原子セルの縦断面図である。また、図８は、図７に示す金属接続部（金属溜り部）における液体状の金属の状態を示す図である。
【０１１１】
本実施形態は、金属接続部の構成が異なる以外は、前述した第１実施形態と同様である。
【０１１２】
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。また、図７および図８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。
【０１１３】
図７に示すガスセル２Ａ（原子セル）は、第１実施形態の胴体部２１に代えて、胴体部２１Ａを備えている。
【０１１４】
胴体部２１Ａには、Ｚ軸方向に貫通している貫通孔２１１Ａが形成されている。この貫通孔２１１Ａは、円柱状の貫通孔２１１ａ、２１１ｄと、貫通孔２１１ａ、２１１ｄ間を連通させるスリット状の貫通孔２１１ｃとで構成されている。
【０１１５】
貫通孔２１１ｄの内壁面には、液体状のアルカリ金属Ｍを保持させる保持部２４Ａが設けられている。この保持部２４Ａは、図８に示すように、多孔質膜で構成されている。このような多孔質膜を設けることによっても、前述した第１実施形態の保持部２４の粗面化処理と同様の効果を奏することができる。また、比較的簡単な構成で、余剰の液体状のアルカリ金属を保持部２４Ａに濡れ拡がらせて安定的に保持させることができる。
【０１１６】
このような多孔質膜で構成された保持部２４Ａは、例えば、多孔質ポリシリコン、多孔質シリカ等の無機多孔質で構成されている。また、このような保持部２４Ａの形成は、ＣＶＤ等の気相成膜法を用いて行ってもよいし、有機物のバインダーを含む無機微粒子を塗布した後に焼成・焼結することによって行ってもよい。
【０１１７】
以上説明したような第２実施形態によっても、余剰分のアルカリ金属Ｍによる特性の低下を抑制することができる。
【０１１８】
＜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。
【０１１９】
図９（ａ）は、本発明の第３実施形態に係る原子セルの横断面図、図９（ｂ）は、図９（ａ）に示す原子セルの縦断面図である。
【０１２０】
本実施形態は、原子セルの内部空間の形状および金属接続部の構成が異なる以外は、前述した第１実施形態と同様である。また、本実施形態は、原子セルの内部空間の形状が異なる以外は、前述した第２実施形態と同様である。
【０１２１】
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。また、図９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。
【０１２２】
図９に示すガスセル２Ｂ（原子セル）は、第１実施形態の胴体部２１に代えて、胴体部２１Ｂを備えている。
【０１２３】
胴体部２１Ｂには、Ｚ軸方向に貫通している貫通孔２１１Ｂが形成されている。この貫通孔２１１Ｂは、円柱状の貫通孔２１１ａで構成されている。
【０１２４】
貫通孔２１１Ｂの内壁面には、液体状のアルカリ金属Ｍを保持させる保持部２４Ｂが設けられている。これにより、比較的簡単な構成で、余剰の液体状のアルカリ金属を保持部２４Ａに濡れ拡がらせて安定的に保持させることができる。ここで、本実施形態では、保持部２４Ｂが「金属溜り部」を構成しており、貫通孔２１１Ｂにより形成される光通過空間である空間Ｓは、金属溜り部を含んでいるといえる。
【０１２５】
また、保持部２４Ｂは、胴体部２１Ｂと窓部２２、２３との接合面を除く面に配置されている。これにより、胴体部２１Ｂと窓部２２、２３との気密的な接合を簡単かつ確実に行うことができる。
【０１２６】
また、保持部２４Ｂは、窓部２２、２３の内壁面にも設けられているが、窓部２２、２３の励起光ＬＬが通過する面を除いて配置されている。これにより、窓部２２、２３の励起光ＬＬが通過する面に液体状のアルカリ金属が付着することによる特性の低下を防止できる。
【０１２７】
以上説明したような第３実施形態によっても、余剰分のアルカリ金属Ｍによる特性の低下を抑制することができる。
【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。
【０１２９】
以下、本発明の電子機器について説明する。
図１０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。
【０１３０】
図１０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。
【０１３１】
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。
【０１３２】
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。
【０１３３】
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。
【０１３４】
３．移動体
図１１は、本発明の移動体の一例を示す図である。
【０１３５】
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。
【０１３６】
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、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、携帯電話基地局等に適用することができる。
【０１３７】
以上、本発明の原子セル、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。
【０１３８】
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。
【０１３９】
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。
【０１４０】
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】
【０１４１】
１‥‥原子発振器
２‥‥ガスセル
２Ａ‥‥ガスセル
２Ｂ‥‥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‥‥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
２１‥‥胴体部
２１Ａ‥‥胴体部
２１Ｂ‥‥胴体部
２２‥‥窓部
２３‥‥窓部
２４‥‥保持部（金属接続部）
２４Ａ‥‥保持部（金属接続部）
２４Ｂ‥‥保持部（金属接続部）
４１‥‥光学部品
４２‥‥光学部品
４３‥‥光学部品
４４‥‥光学部品
１００‥‥測位システム
２００‥‥ＧＰＳ衛星
２１１‥‥貫通孔
２１１Ａ‥‥貫通孔
２１１Ｂ‥‥貫通孔
２１１ａ‥‥貫通孔
２１１ｂ‥‥貫通孔
２１１ｃ‥‥貫通孔
２１１ｄ‥‥貫通孔
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
ＬＬ‥‥励起光
Ｍ‥‥アルカリ金属
Ｓ‥‥内部空間
Ｓ１‥‥空間（光通過部）
Ｓ２‥‥空間（金属溜り部）
Ｓ３‥‥空間
Δｆ‥‥周波数変動量
θ‥‥接触角
【図１】
2015185958.tif 000003
【図２】
2015185958.tif 000004
【図３】
2015185958.tif 000005
【図４】
2015185958.tif 000006
【図５】
2015185958.tif 000007
【図６】
2015185958.tif 000008
【図７】
2015185958.tif 000009
【図８】
2015185958.tif 000010
【図９】
2015185958.tif 000011
【図１０】
2015185958.tif 000012
【図１１】
2015185958.tif 000013