(57)【要約】【課題】励磁コイルからの磁場による遮蔽部の経時的な着磁量の変化を防止または抑制し、周波数長期安定度を向上させることができる原子共鳴遷移装置および原子発振器を提供すること、また、その原子共鳴遷移装置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、アルカリ金属と、アルカリ金属に直流磁場を印加する励磁コイル（コイル３５）と、アルカリ金属を外部磁界から遮蔽している遮蔽部と、直流電流および経時的に減衰する交番電流を同時に発生可能な電源４と、直流電流および交番電流が供給され、直流磁場成分と経時的に減衰する交流磁場成分とが重畳されている消磁磁場を発生させて遮蔽部を消磁する消磁コイル（コイル３５）と、を備えている。【選択図】図７
2015061091.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属原子と、
前記金属原子に直流磁場を印加する励磁コイルと、
磁気シールド性を有する遮蔽部と、
直流電流および経時的に減衰する交番電流を同時に発生可能な電源と、
前記直流電流および前記交番電流が供給され、直流磁場成分と経時的に減衰する交流磁場成分とが重畳されている消磁磁場を発生させる消磁コイルと、
を備えていることを特徴とする原子共鳴遷移装置。
【請求項２】
前記電源は、前記直流電流と前記交番電流とを重畳した電流を出力可能であり、
前記消磁コイルは、前記電源から前記重畳した電流が供給されて前記消磁磁場を発生させる請求項１に記載の原子共鳴遷移装置。
【請求項３】
前記電源を制御する磁場制御部を備えており、
前記磁場制御部は、前記消磁コイルに前記重畳された電流を供給する消磁モードと、前記励磁コイルに前記直流電流を供給する通常モードと、を切換可能である請求項２に記載の原子共鳴遷移装置。
【請求項４】
前記励磁コイルは、前記消磁コイルを兼ねている請求項１ないし３のいずれか１項に記載の原子共鳴遷移装置。
【請求項５】
前記電源は、前記直流電流および前記交番電流をそれぞれ独立して出力可能であり、
前記消磁コイルは、前記電源から前記交番電流が供給されて前記交流磁場成分を発生させる交番磁場コイルと、前記電源から前記直流電流が供給されて前記直流磁場成分を発生させる直流磁場コイルと、を有している請求項１に記載の原子共鳴遷移装置。
【請求項６】
前記電源を制御する磁場制御部を備えており、
前記磁場制御部は、前記直流磁場コイルに前記直流電流を供給するとともに前記交流磁場コイルに前記交番電流を供給する消磁モードと、前記励磁コイルに前記直流電流を供給する通常モードと、を切換可能である請求項５に記載の原子共鳴遷移装置。
【請求項７】
前記励磁コイルは、前記直流磁場コイルを兼ねている請求項５または６に記載の原子共鳴遷移装置。
【請求項８】
前記遮蔽部は、内外に配置されている内側遮蔽部および外側遮蔽部を含んでおり、
前記直流磁場コイルは、前記金属原子と前記内側遮蔽部との間に配置され、
前記交流磁場コイルは、前記内側遮蔽部と前記外側遮蔽部との間に配置されている請求項５ないし７のいずれか１項に記載の原子共鳴遷移装置。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれか１項に記載の原子共鳴遷移装置を備えることを特徴とする原子発振器。
【請求項１０】
請求項１ないし８のいずれか１項に記載の原子共鳴遷移装置を備えることを特徴とする電子機器。
【請求項１１】
請求項１ないし８のいずれか１項に記載の原子共鳴遷移装置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、原子共鳴遷移装置、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、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が、いずれの方式の原子発振器も、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。
このような原子発振器として、例えば、特許文献１に開示されているように、アルカリ金属を共鳴遷移させる遷移部に磁場を与える励磁コイルと、励磁コイルおよび遷移部を外部磁場からシールドする磁気シールドと、を備えるものが知られている。
【０００３】
特許文献１に係る原子発振器では、通常、励磁コイルに対して励磁電流を供給する通常モードで動作するが、磁気シールドの着磁に起因して周波数確度が低下した場合、励磁コイルに対して交番して次第に減少する交番電流を供給する消磁モードに選択的に切り換える。そして、消磁モードにおいて磁気シールドの消磁処理が行われた後、再び通常モードに切り換えられる。
【０００４】
しかし、特許文献１に係る原子発振器では、消磁モードにおいて磁気シールドの着磁量がゼロとなるように消磁処理が行われるため、消磁モードにより着磁量がゼロとなった磁気シールドは、通常モード移行後に、通常モードの励磁コイルからの磁場による着磁が安定化するまで数時間から数か月までの長期間を要してしまう。そのため、特許文献１に係る原子発振器では、その期間の磁気シールドの着磁量の変動が周波数長期安定度に影響を与えてしまい、周波数長期安定度が低下するという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭６１−１３１６２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、励磁コイルからの磁場による遮蔽部の経時的な着磁量の変化を防止または抑制し、周波数長期安定度を向上させることができる原子共鳴遷移装置および原子発振器を提供すること、また、その原子共鳴遷移装置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】
【０００７】
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］
本発明の原子共鳴遷移装置は、金属原子と、
前記金属原子に直流磁場を印加する励磁コイルと、
磁気シールド性を有する遮蔽部と、
直流電流および経時的に減衰する交番電流を同時に発生可能な電源と、
前記直流電流および前記交番電流が供給され、直流磁場成分と経時的に減衰する交流磁場成分とが重畳されている消磁磁場を発生させる消磁コイルと、
を備えていることを特徴とする。
【０００８】
このような原子共鳴遷移装置によれば、消磁コイルからの消磁磁場により遮蔽部を、励磁コイルからの直流磁場により着磁されるのと同様の若干量の着磁を残留させた状態で消磁することができる。そのため、遮蔽部を消磁した後に、励磁コイルから直流磁場を発生させたとき、励磁コイルからの直流磁場による遮蔽部の経時的な着磁量の変化を防止または抑制することができる。その結果、金属原子に印加される磁場の強度の安定化を図り、周波数長期安定度を向上させることができる。
【０００９】
［適用例２］
本発明の原子共鳴遷移装置では、前記電源は、前記直流電流と前記交番電流とを重畳した電流を出力可能であり、
前記消磁コイルは、前記電源から前記重畳した電流が供給されて前記消磁磁場を発生させることが好ましい。
これにより、１つのコイルで構成された消磁コイルから直流磁場成分と経時的に減衰する交流磁場成分とが重畳されている消磁磁場を発生させることができる。
【００１０】
［適用例３］
本発明の原子共鳴遷移装置では、前記電源を制御する磁場制御部を備えており、
前記磁場制御部は、前記消磁コイルに前記重畳された電流を供給する消磁モードと、前記励磁コイルに前記直流電流を供給する通常モードと、を切換可能であることが好ましい。
これにより、任意のタイミングで遮蔽部を消磁することができる。
【００１１】
［適用例４］
本発明の原子共鳴遷移装置では、前記励磁コイルは、前記消磁コイルを兼ねていることが好ましい。
これにより、部品点数を少なくし、原子共鳴遷移装置の小型化および低コスト化を図ることができる。
【００１２】
［適用例５］
本発明の原子共鳴遷移装置では、前記電源は、前記直流電流および前記交番電流をそれぞれ独立して出力可能であり、
前記消磁コイルは、前記電源から前記交番電流が供給されて前記交流磁場成分を発生させる交番磁場コイルと、前記電源から前記直流電流が供給されて前記直流磁場成分を発生させる直流磁場コイルと、を有していることが好ましい。
これにより、原子共鳴遷移装置の設計の自由度を高めることができる。
【００１３】
［適用例６］
本発明の原子共鳴遷移装置では、前記電源を制御する磁場制御部を備えており、
前記磁場制御部は、前記直流磁場コイルに前記直流電流を供給するとともに前記交流磁場コイルに前記交番電流を供給する消磁モードと、前記励磁コイルに前記直流電流を供給する通常モードと、を切換可能であることが好ましい。
これにより、任意のタイミングで遮蔽部を消磁することができる。
【００１４】
［適用例７］
本発明の原子共鳴遷移装置では、前記励磁コイルは、前記直流磁場コイルを兼ねていることが好ましい。
これにより、部品点数を少なくし、原子共鳴遷移装置の小型化および低コスト化を図ることができる。
【００１５】
［適用例８］
本発明の原子共鳴遷移装置では、前記遮蔽部は、内外に配置されている内側遮蔽部および外側遮蔽部を含んでおり、
前記直流磁場コイルは、前記金属原子と前記内側遮蔽部との間に配置され、
前記交流磁場コイルは、前記内側遮蔽部と前記外側遮蔽部との間に配置されていることが好ましい。
これにより、内側遮蔽部でパッケージを構成した場合、そのパッケージの小型化を図ることができる。また、そのパッケージを気密パッケージとした場合、小型化によりパッケージ内の真空度を高く保つことが容易となる。また、内側遮蔽部および外側遮蔽部の双方を効率的に消磁することができる。
【００１６】
［適用例９］
本発明の原子発振器は、本発明の原子共鳴遷移装置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、励磁コイルからの磁場による遮蔽部の経時的な着磁量の変化を防止または抑制し、周波数長期安定度を向上させることができる。
［適用例１０］
本発明の電子機器は、本発明の原子共鳴遷移装置を備えることを特徴とする。
これにより、信頼性に優れる電子機器を提供することができる。
［適用例１１］
本発明の移動体は、本発明の原子共鳴遷移装置を備えることを特徴とする。
これにより、信頼性に優れる移動体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る原子発振器を示す斜視図である。
【図２】図１に示す原子発振器の概略構成を示す模式図である。
【図３】図１に示す原子発振器に備えられたガスセル内の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４】図１に示す原子発振器に備えられた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５】図１に示す原子発振器の縦断面図である。
【図６】図５の一部を拡大して示す断面図である。
【図７】図２に示す磁場制御部を説明するためのブロック図である。
【図８】（ａ）は、従来の消磁モード時に励磁コイルに流れる電流の経時的変化を示すグラフ、（ｂ）は、（ａ）に示す電流を用いた消磁モードから通常モードに移行した時におけるシールド部の着磁量の経時的変化を示すグラフである。
【図９】（ａ）は、図７に示す電源から消磁モード時に励磁コイル（消磁コイル）に流れる電流の経時的変化を示すグラフ、（ｂ）は、（ａ）に示す電流を用いた消磁モードから通常モードに移行した時におけるシールド部の着磁量の経時的変化を示すグラフである。
【図１０】図７に示す電源から消磁モード時に励磁コイル（消磁コイル）に流れる電流の経時的変化の変形例を示すグラフである。
【図１１】本発明の第２実施形態に係る原子発振器の一部を拡大して示す断面図である。
【図１２】図１１に示す原子発振器の磁場制御部を説明するためのブロック図である。
【図１３】図１２に示す電源から消磁モード時に消磁コイルに流れる電流の経時的変化を示すグラフである。
【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システム構成概要図である。
【図１５】本発明の原子発振器を備える移動体（自動車）の構成を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の原子共鳴遷移装置、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。
１．原子発振器（量子干渉装置）
まず、本発明の原子発振器（本発明の原子共鳴遷移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、本発明の原子共鳴遷移装置を原子発振器に適用した例を説明するが、本発明の原子共鳴遷移装置は、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。
【００１９】
図１は、本発明の第１実施形態に係る原子発振器を示す斜視図、図２は、図１に示す原子発振器の概略構成を示す模式図である。また、図３は、図１に示す原子発振器に備えられたガスセル内の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。また、図４は、図１に示す原子発振器に備えられた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５は、図１に示す原子発振器の縦断面図、図６は、図５の一部を拡大して示す断面図である。
【００２０】
なお、図１、図５および図６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」といい、また、＋Ｚ方向側（図５の上側）を「上」、−Ｚ方向側（図５の下側）を「下」という。
【００２１】
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。この量子干渉効果を利用した原子発振器１は、二重共鳴現象を利用した原子発振器に比し、小型化を図ることができる。
この原子発振器１は、図１に示すように、第１ユニット２（光出射側ユニット）と、第２ユニット３（光検出側ユニット）と、これらを収納するパッケージ５と、パッケージ５を支持する配線基板６（基板）と、配線基板６に実装された制御部７とを備える。
【００２２】
ここで、図１、２に示すように、第１ユニット２は、光出射部２１と、光出射部２１を収納する第１パッケージ２２（光出射側パッケージ）とを備える。
また、第２ユニット３は、ガスセル３１と、光検出部３２と、ヒーター３３と、温度センサー３４と、コイル３５と、これらを収納する第２パッケージ３６（光検出側パッケージ）とを備える。
そして、このような第１ユニット２および第２ユニット３は、配線基板６の配線（図示せず）を介して制御部７に電気的に接続され、制御部７により駆動制御される。
【００２３】
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３１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３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。
【００２４】
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２１は、ガスセル３１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。
【００２５】
例えば、光出射部２１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３２の検出強度は、図４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。
【００２６】
以下、原子発振器１の各部を順次詳細に説明する。
（第１ユニット）
前述したように、第１ユニット２は、光出射部２１と、光出射部２１を収納する第１パッケージ２２とを備える。
［光出射部］
光出射部２１は、ガスセル３１中のアルカリ金属原子を励起する励起光を出射する機能を有する。
より具体的には、光出射部２１は、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。
【００２７】
共鳴光１の周波数ω１は、ガスセル３１中のアルカリ金属を前述した基底状態１から励起状態に励起し得るものである。
また、共鳴光２の周波数ω２は、ガスセル３１中のアルカリ金属を前述した基底状態２から励起状態に励起し得るものである。
この光出射部２１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。
また、このような光出射部２１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、後述するガスセル３１とは異なる温度（第１温度）、例えば、３０℃程度に温度調節される。
【００２８】
［第１パッケージ（光出射側パッケージ）］
第１パッケージ２２は、前述した光出射部２１を収納する。
この第１パッケージ２２は、図５に示すように、基体２２１（光出射側基体）と、蓋体２２２（光出射側蓋体）とを備える。
基体２２１は、光出射部２１を直接的または間接的に支持する。本実施形態では、基体２２１は、板状をなし、平面視で円形をなしている。
【００２９】
そして、この基体２２１の一方の面（実装面）には、光出射部２１（実装部品）が設置（実装）される。また、基体２２１の他方の面には、図５に示すように、複数の端子２２３（リード）が−Ｘ軸方向に突出している。この複数の端子２２３は、図示しない配線を介して光出射部２１に電気的に接続されている。
この複数の端子２２３は、図５に示すように、それぞれ、Ｘ軸方向に延びており、互いに平行となるように、一方向（本実施形態ではＹ軸方向）に並んでいる。
【００３０】
このような基体２２１の構成材料としては、特に限定されず、例えば、セラミックス材料、金属材料、樹脂材料等を用いることができるが、金属材料を用いることが好ましい。これにより、蓋体２２２を金属材料で構成した場合、基体２２１と蓋体２２２とを溶接により比較的簡単かつ確実に気密的に接合することができる。
このような基体２２１には、基体２２１上の光出射部２１を覆う蓋体２２２が接合されている。
【００３１】
蓋体２２２は、一端部が開口した有底筒状をなしている。本実施形態では、蓋体２２２の筒状部は、円筒状をなす。
この蓋体２２２の一端部の開口は、前述した基体２２１により塞がれている。
そして、蓋体２２２の他端部、すなわち蓋体２２２の開口とは反対側の底部には、窓部２３が設けられている。
この窓部２３は、ガスセル３１と光出射部２１との間の光軸ａ上に設けられている。
【００３２】
そして、窓部２３は、前述した励起光に対して透過性を有する。これにより、光出射部２１から第１パッケージ２２外への励起光の出射を許容しつつ、光出射部２１を第１パッケージ２２内に収納することができる。
本実施形態では、窓部２３は、レンズで構成されている。これにより、励起光ＬＬを無駄なくガスセル３１へ照射することができる。
【００３３】
また、窓部２３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が照射されるアルカリ金属の量を多くしながら、励起光ＬＬがガスセル３１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３１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。
なお、窓部２３は、励起光に対する透過性を有するものであれば、レンズに限定されず、例えば、偏光板、λ／４波長板、減光フィルター等のレンズ以外の光学部品であってもよいし、単なる光透過性の板状部材であってもよい。また、これらの光学部品は、光出射部２１と後述するガスセル３１との間に設けられていればよく、例えば、窓部３７と光出射部２１との間に設けられていてもよいし、また、第１パッケージ２２と第２パッケージ３６との間に設けられていてもよい。
【００３４】
このような蓋体２２２の窓部２３以外の部分の構成材料としては、特に限定されず、例えば、セラミックス材料、金属材料、樹脂材料等を用いることができるが、金属材料を用いることが好ましく、コバール、パーマロイ等のＦｅ−Ｎｉ系合金を用いることがより好ましく、コバールを用いることがさらに好ましい。これにより、基体２２１と蓋体２２２とを溶接により比較的簡単かつ確実に気密的に接合することができる。
【００３５】
なお、蓋体２２２は、１種の材料で構成されていてもよいし、２種以上の材料を混合または積層して構成されていてもよい。また、蓋体２２２の窓部２３以外の部分が励起光に対して透過性を有する材料で構成されている場合、蓋体２２２の窓部２３以外の部分と窓部２３とを一体的に形成することができる。また、蓋体２２２の窓部２３以外の部分が励起光に対して透過性を有しない材料で構成されている場合、蓋体２２２の窓部２３以外の部分と窓部２３とを別体で形成し、これらを公知の接合方法により接合すればよい。
【００３６】
また、基体２２１と蓋体２２２とは気密的に接合されているのが好ましい。すなわち、第１パッケージ２２内が気密空間であることが好ましい。これにより、第１パッケージ２２内を減圧状態（大気圧よりも減圧した状態）または不活性ガス封入状態とすることができ、その結果、原子発振器１の特性を向上させることができる。
また、基体２２１と蓋体２２２との接合方法としては、特に限定されないが、例えば、ろう接、シーム溶接、エネルギー線溶接（レーザー溶接、電子線溶接等）等を用いることができる。
【００３７】
なお、基体２２１と蓋体２２２との間には、これらを接合するための接合部材が介在していてもよい。
また、第１パッケージ２２内には、前述した光出射部２１以外の部品が収納されていてもよい。
例えば、第１パッケージ２２内には、光出射部２１の温度を調節する温度調節素子や温度センサー等が収納されていてもよい。かかる温度調節素子としては、例えば、発熱抵抗体（ヒーター）、ペルチェ素子等が挙げられる。
以上説明したような第１パッケージ２２は、基体２２１が第２パッケージ３６とは反対側に配置されるように、後述するパッケージ５に保持されている。
【００３８】
（第２ユニット）
前述したように、第２ユニット３は、ガスセル３１と、光検出部３２と、ヒーター３３と、温度センサー３４と、コイル３５と、これらを収納する第２パッケージ３６とを備える。
［ガスセル］
ガスセル３１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３１内には、必要に応じて、ネオン、アルゴン等の希ガス、窒素等の不活性ガス等が緩衝ガスとして封入されている。
このガスセル３１は、図６に示すように、柱状の貫通孔を有する本体部３１１と、その貫通孔の両開口を封鎖する１対の窓部３１２、３１３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Ｓ１が形成されている。
【００３９】
本体部３１１を構成する材料は、特に限定されず、例えば、金属材料、樹脂材料、ガラス材料、シリコン材料、水晶等が挙げられるが、窓部３１２、３１３との気密接合が陽極接合、直接接合等により容易であるという観点から、ガラス材料、シリコン材料を用いることが好ましい。また、本体部３１１をシリコン材料で構成することにより、ＭＥＭＳ技術を用いた微細加工により簡単かつ高精度に本体部３１１を形成することができる。
【００４０】
各窓部３１２、３１３は、前述した光出射部２１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３１３は、ガスセル３１内へ入射する励起光が透過するものであり、他方の窓部３１２は、ガスセル３１内から出射した励起光が透過するものである。
したがって、ガスセル３１の窓部３１２、３１３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。
【００４１】
そして、各窓部３１２，３１３は、本体部３１１に対して気密的に接合されている。これにより、ガスセル３１の内部空間Ｓ１を気密空間とすることができる。
ガスセル３１の本体部３１１と窓部３１２、３１３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。
以上説明したようなガスセル３１は、ヒーター３３により、前述した光出射部２１とは異なる温度（第２温度）、例えば、７０℃程度に温度調節される。
【００４２】
［光検出部］
光検出部３２は、ガスセル３１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３２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。
【００４３】
［ヒーター］
ヒーター３３は、前述したガスセル３１（より具体的にはガスセル３１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３１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３３は、通電により発熱するものであり、図６に示すように、ガスセル３１の外表面上に設けられた発熱抵抗体３３１、３３２で構成されている。このような発熱抵抗体３３１、３３２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される。
【００４４】
ここで、発熱抵抗体３３１は、ガスセル３１の窓部３１２上に設けられ、発熱抵抗体３３２は、ガスセル３１の窓部３１３上に設けられている。
かかる発熱抵抗体３３１、３３２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。
【００４５】
なお、ヒーター３３は、ガスセル３１を加熱することができるものであれば、前述した構成に限定されず、ガスセル３１に対して非接触であってもよい。また、ヒーター３３に代えて、または、ヒーター３３と併用して、ペルチェ素子を用いて、ガスセル３１を加熱してもよい。
以上説明したようなヒーター３３は、後述する制御部７の温度制御部７２に電気的に接続され、通電される。
【００４６】
［温度センサー］
温度センサー３４は、ヒーター３３またはガスセル３１の温度を検出するものである。そして、この温度センサー３４の検出結果に基づいて、前述したヒーター３３の発熱量が制御される。これにより、ガスセル３１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。
【００４７】
なお、温度センサー３４の設置位置は、特に限定されず、例えば、ヒーター３３上であってもよいし、ガスセル３１の外表面上であってもよい。
温度センサー３４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。
以上説明したような温度センサー３４は、図示しない配線を介して、後述する制御部７の温度制御部７２に電気的に接続されている。
【００４８】
［コイル］
コイル３５は、通電により、磁場を発生させる機能を有する。
本実施形態では、コイル３５は、筒状をなし、その軸線がＸ軸方向に沿って配置され、ガスセル３１を囲むソレノイド型のコイルである。このようなコイル３５は、ガスセル３１内にＸ軸方向に沿った磁場を発生させる。なお、コイル３５は、ソレノイド型に限定されず、ガスセル３１を介して対向して配置されたヘルムホルツ型であってもよい。
【００４９】
このコイル３５は、通常、後述する電源４からの直流電流が供給されて直流磁場を発生させる「励磁コイル」を構成する。この直流磁場は、ガスセル３１内のアルカリ金属に印加される。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。なお、以下では、このようなアルカリ金属をゼーマン分裂させるための直流磁場を「励磁磁場」ともいう。また、励磁磁場を発生させるための直流電流を「励磁電流」ともいう。
【００５０】
また、コイル３５は、必要時に、後述する電源４から励磁電流と経時的に減衰する交番電流（以下、「消磁電流」または「減衰電流」ともいう）とが重畳されている電流が供給されて消磁磁場を発生させる「消磁コイル」を構成する。これにより、必要時に、第２パッケージ３６を消磁することができる。特に、消磁磁場が直流磁場成分と経時的に減衰する交流磁場成分とが重畳されているので、コイル３５からの消磁磁場により第２パッケージ３６を、コイル３５からの直流磁場により着磁されるのと同様の若干量の着磁を残留させた状態で消磁することができる。そのため、第２パッケージ３６を消磁した後に、コイル３５から励磁磁場を発生させたとき、コイル３５からの励磁磁場による第２パッケージ３６の経時的な着磁量の変化を防止または抑制することができる。その結果、ガスセル３１内のアルカリ金属に印加される磁場の強度の安定化を図り、周波数長期安定度を向上させることができる。
【００５１】
また、励磁磁場を発生させる励磁コイルであるコイル３５が消磁磁場を発生させる消磁コイルを兼ねているので、部品点数を少なくし、原子発振器１の小型化および低コスト化を図ることができる。
ここで、コイル３５は、ガスセル３１内のアルカリ金属と第２パッケージ３６との間に配置されている。これにより、励磁コイルであるコイル３５を消磁コイルとして兼用することが可能となる。
なお、励磁磁場および消磁磁場については、磁場制御部７３および電源４とともに、後に詳述する。
以上説明したようなコイル３５は、図示しない配線および後述する電源４を介して、後述する制御部７の磁場制御部７３に電気的に接続されている（図７参照）。
【００５２】
［第２パッケージ（光検出側パッケージ）］
第２パッケージ３６は、前述したガスセル３１、光検出部３２、ヒーター３３、温度センサー３４およびコイル３５を収納する。
この第２パッケージ３６は、磁気シールド性を有し、ガスセル３１内のアルカリ金属を外部磁界から遮蔽する「遮蔽部」を構成する。なお、後述するパッケージ５が磁気シールド性を有し「遮蔽部」の「外側遮蔽部」を構成する場合、パッケージ５の内側に配置された第２パッケージ３６は、「遮蔽部」の「内側遮蔽部」を構成する。
【００５３】
この第２パッケージ３６は、前述した第１ユニット２の第１パッケージ２２と同様に構成することができる。
具体的には、第２パッケージ３６は、図５および図６に示すように、基体３６１（光検出側基体）と、蓋体３６２（光検出側蓋体）とを備える。
基体３６１は、ガスセル３１、光検出部３２、ヒーター３３、温度センサー３４およびコイル３５を直接的または間接的に支持する。本実施形態では、基体３６１は、円板状をなしている。
【００５４】
この基体３６１の一方の面（実装面）には、ガスセル３１、光検出部３２、ヒーター３３、温度センサー３４およびコイル３５（複数の実装部品）が設置（実装）される。本実施形態では、基板３８を介して、ガスセル３１、光検出部３２およびヒーター３３が基体３６１に実装されている。また、基体３６１の他方の面には、複数の端子３６３（リード）が＋Ｘ軸方向に突出している。この複数の端子３６３は、図示しない配線を介して光検出部３２、ヒーター３３、温度センサー３４およびコイル３５に電気的に接続されている。
【００５５】
この複数の端子３６３は、それぞれ、Ｘ軸方向に延びており、互いに平行となるように、一方向（本実施形態ではＹ軸方向）に並んでいる。なお、複数の端子３６３の配置は、これに限定されず、任意である。
このような基体３６１の構成材料としては、磁気シールド性を有する材料が用いられ、例えば、Ｆｅ、各種鉄系合金（ケイ素鉄、パーマロイ、アモルファス、センダスト、コバール）等の軟磁性材料が挙げられ、中でも、磁気シールド性が優れるという観点から、コバール、パーマロイ等のＦｅ−Ｎｉ系合金を用いることが好ましく、基体３６１と蓋体３６２との気密接合が溶接により簡単かつ確実に行えるという観点から、コバールを用いることがよりに好ましい。
このような基体３６１には、ガスセル３１、光検出部３２、ヒーター３３、温度センサー３４およびコイル３５を覆う蓋体３６２が接合されている。
【００５６】
蓋体３６２は、一端部が開口した有底筒状をなしている。本実施形態では、蓋体３６２の筒状部は、円筒状をなす。
この蓋体３６２の一端部の開口は、前述した基体３６１により塞がれている。
そして、蓋体３６２の他端部、すなわち蓋体３６２の開口とは反対側の底部には、窓部３７が設けられている。
この窓部３７は、ガスセル３１と光出射部２１との間の光軸ａ上に設けられている。
【００５７】
そして、窓部３７は、前述した励起光に対して透過性を有する。これにより、光出射部２１からの励起光の第２パッケージ３６内への入射を許容しつつ、ガスセル３１および光検出部３２を第２パッケージ３６内に収納することができる。したがって、前述したような第１パッケージ２２と組み合わせて第２パッケージ３６を用いることにより、光出射部２１からガスセル３１を介して光検出部３２への励起光の光路を確保しつつ、光出射部２１およびガスセル３１を互いに非接触の別々のパッケージに収納することができる。
【００５８】
本実施形態では、窓部３７は、光透過性を有する板状部材で構成されている。そして、窓部３７は、公知の接合方法により蓋体３６２の窓部３７以外の部分に接合されている。
なお、窓部３７は、励起光に対する透過性を有するものであれば、光透過性を有する板状部材に限定されず、例えば、レンズ、偏光板、λ／４波長板等の光学部品であってもよい。
【００５９】
このような蓋体３６２の窓部３７以外の部分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、前述した基体３６１の構成材料と同様の材料を用いることができる。
また、基体３６１と蓋体３６２とは気密的に接合されているのが好ましい。すなわち、第２パッケージ３６内が気密空間であることが好ましい。これにより、第２パッケージ３６内を減圧状態（大気圧よりも減圧した状態）または不活性ガス封入状態とすることができ、その結果、原子発振器１の特性を向上させることができる。
【００６０】
また、基体３６１と蓋体３６２との接合方法としては、特に限定されないが、例えば、ろう接、シーム溶接、エネルギー線溶接（レーザー溶接、電子線溶接等）等を用いることができる。
なお、基体３６１と蓋体３６２との間には、これらを接合するための接合部材が介在していてもよい。
【００６１】
また、第２パッケージ３６内には、少なくともガスセル３１および光検出部３２が収納されていればよく、また、前述したガスセル３１、光検出部３２、ヒーター３３、温度センサー３４およびコイル３５以外の部品が収納されていてもよい。
以上説明したような第２パッケージ３６は、基体３６１が第１パッケージ２２とは反対側に配置されるように、後述するパッケージ５に保持されている。
【００６２】
（パッケージ）
パッケージ５は、前述した第１パッケージ２２および第２パッケージ３６を収納する機能を有する。
このパッケージ５は、第１ユニット２および第２ユニット３を互いに離間して配置した状態で収納している内部空間Ｓを有し、その内部空間Ｓが大気圧よりも減圧された状態となっている。これにより、パッケージ５と第１ユニット２および第２ユニット３との間、および、第１ユニット２と第２ユニット３と間の熱伝導および対流による熱の伝達を抑制することができる。
具体的に説明すると、図５に示すように、パッケージ５は、上側に開口する凹部５１を有する本体５０と、凹部５１を封鎖する蓋体５４とを有する。
本体５０の凹部５１には、第１パッケージ２２および第２パッケージ３６が設置されている。
【００６３】
また、この凹部５１は、第１パッケージ２２および第２パッケージ３６の位置および姿勢を規制する形状をなす。これにより、第１パッケージ２２および第２パッケージ３６をパッケージ５の凹部５１に設置することにより、光出射部２１および光検出部３２を含む光学系の位置決めを行うことができる。そのため、パッケージ５に対する第１パッケージ２２および第２パッケージ３６の設置を容易なものとすることができる。
【００６４】
ここで、凹部５１は、Ｘ軸方向に延在し、その一端部側（図５中の左側）には、第１パッケージ２２が配置され、他端部側（図５中の右側）には、第２パッケージ３６が配置されている。
また、第１パッケージ２２および第２パッケージ３６は、筒状をなす蓋体２２２および蓋体３６２の軸線がそれぞれ凹部５１の延在方向（Ｘ軸方向）に平行となるように配置されている。これにより、第１パッケージ２２および第２パッケージ３６は、蓋体２２２および蓋体３６２の軸線が互いに一致または平行となるように配置されている。
【００６５】
本実施形態では、凹部５１の横断面が矩形をなしている。
また、本体５０の一端部側（図５中の左側）には、第１パッケージ２２の基体２２１を支持する支持部５２（第１支持部）が設けられ、本体５０の他端部（図５中の右側）には、第２パッケージ３６の基体３６１を支持する支持部５３（第２支持部）が設けられている。
【００６６】
このように、支持部５２が基体２２１を支持するとともに、支持部５２に対向する支持部５３が基体３６１を支持することにより、第１パッケージ２２とパッケージ５との接触部と、第２パッケージ３６とパッケージ５との接触部との距離を大きくすることができる。そのため、第１パッケージ２２と第２パッケージ３６との間のパッケージ５を介した熱伝導をより効果的に抑えることができる。
【００６７】
また、蓋体２２２および蓋体３６２は、それぞれ、パッケージ５に対して非接触である。これにより、第１パッケージ２２と第２パッケージ３６との間のパッケージ５を介した熱伝導をより効果的に抑えることができる。特に、凹部５１の横断面が矩形をなすのに対し、蓋体２２２、３６２の筒状部がそれぞれ円筒状をなしているため、蓋体２２２、３６２の側面とパッケージ５との間に比較的大きな隙間を形成することができる。その結果、蓋体２２２、３６２からパッケージ５への熱の伝導を極めて小さく抑えることができる。また、仮に蓋体２２２、３６２の側面とパッケージ５とが接触していたとしても、その接触面積を小さくすることができる。
【００６８】
ここで、支持部５２は、Ｙ軸およびＺ軸に平行な設置面を有する。この設置面には、前述した第１パッケージ２２の基体２２１の蓋体２２２とは反対側の面が接触または近接する。これにより、パッケージ５に対する第１パッケージ２２の位置および姿勢を規制することができる。なお、基体２２１は、例えば、支持部５２に接着剤を用いて固定することができる。
【００６９】
また、支持部５２には、前述した第１パッケージ２２の複数の端子２２３が挿通される複数の貫通孔５２１が形成されている。すなわち、支持部５２は、第１パッケージ２２が装着されるソケットのような形態をなす。これによっても、パッケージ５に対する第１パッケージ２２の位置および姿勢を規制することができる。なお、複数の端子２２３は、例えば、半田により支持部５２に固定することができる。
【００７０】
複数の端子２２３は、複数の貫通孔５２１を貫通している。これにより、各端子２２３の先端部は、パッケージ５から突出している。
ここで、複数の貫通孔５２１は、複数の端子２２３に対応して設けられ、それぞれ、Ｘ軸方向に延びており、Ｙ軸方向に並んでいる。したがって、複数の端子２２３のパッケージ５から突出した部分も、Ｙ軸方向に並んでいる。
【００７１】
同様に、支持部５３は、Ｙ軸およびＺ軸に平行な設置面を有する。この設置面には、前述した第２パッケージ３６の基体３６１の蓋体３６２とは反対側の面が接触または近接する。これにより、パッケージ５に対する第２パッケージ３６の位置および姿勢を規制することができる。なお、基体３６１は、例えば、支持部５３に接着剤を用いて固定することができる。
【００７２】
また、支持部５３には、前述した第２パッケージ３６の複数の端子３６３が挿通される複数の貫通孔５３１が形成されている。すなわち、支持部５３は、第２パッケージ３６が装着されるソケットのような形態をなす。これによっても、パッケージ５に対する第２パッケージ３６の位置および姿勢を規制することができる。なお、複数の端子３６３は、例えば、半田により支持部５３に固定することができる。
複数の端子３６３は、複数の貫通孔５３１を貫通している。これにより、各端子３６３の先端部は、パッケージ５から突出している。
【００７３】
ここで、複数の貫通孔５３１は、複数の端子３６３に対応して設けられ、それぞれ、Ｘ軸方向に延びており、Ｙ軸方向に並んでいる。したがって、複数の端子３６３のパッケージ５から突出した部分も、Ｙ軸方向に並んでいる。
このような本体５０には、凹部５１の開口を塞ぐ蓋体５４が接合されている。
蓋体５４は、平板状をなしている。
また、本体５０と蓋体５４とは気密的に接合されているのが好ましい。すなわち、パッケージ５内が気密空間であることが好ましい。これにより、パッケージ５内を減圧状態（大気圧よりも減圧した状態）または不活性ガス封入状態とすることができる。
【００７４】
また、本体５０と蓋体５４との接合方法としては、特に限定されないが、例えば、ろう接、シーム溶接、エネルギー線溶接（レーザー溶接、電子線溶接等）等を用いることができる。
このようなパッケージ５の本体５０および蓋体５４の構成材料は、それぞれ、特に限定されず、金属材料、樹脂材料、セラミックス材料等が挙げられる。
【００７５】
本体５０および蓋体５４の構成材料として金属材料を用いた場合、本体５０と蓋体５４とを溶接により比較的簡単かつ確実に気密的に接合することができる。特に、かかる金属材料としては、Ｆｅ、各種鉄系合金（ケイ素鉄、パーマロイ、アモルファス、センダスト、コバール）等の軟磁性材料を用いることが好ましく、コバール、パーマロイ等のＦｅ−Ｎｉ系合金を用いることがより好ましく、パーマロイを用いることがさらに好ましい。これにより、パッケージ５の磁気シールド性を優れたものとすることができる。ここで、パッケージ５が磁気シールド性を有する場合、パッケージ５は、「遮蔽部」の「外側遮蔽部」を構成する。
【００７６】
一方、本体５０および蓋体５４の構成材料として樹脂材料、セラミックス材料等の非金属材料を用いた場合、第１パッケージ２２と第２パッケージ３６との間のパッケージ５を介した熱伝導を小さくすることができる。その結果、光出射部２１とガスセル３１との間の熱干渉を効果的に防止または抑制することができる。
パッケージ５を構成する樹脂材料としては、特に限定されないが、例えば、ポリエチレン、エチレン−酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）等のポリオレフィン、アクリル系樹脂、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体（ＡＢＳ樹脂）、アクリロニトリル−スチレン共重合体（ＡＳ樹脂）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエーテル、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、スチレン系、ポリオレフィン系、ポリ塩化ビニル系、ポリウレタン系、ポリエステル系、ポリアミド系、ポリブタジエン系、トランスポリイソプレン系、フッ素ゴム系、塩素化ポリエチレン系等の各種熱可塑性エラストマー、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル、シリコーン樹脂、ポリウレタン等、またはこれらを主とする共重合体、ブレンド体、ポリマーアロイ等が挙げられ、これらのうちの１種または２種以上を組み合わせて（例えば２層以上の積層体として）用いることができる。
【００７７】
また、パッケージ５を構成するセラミックス材料としては、特に限定されないが、例えば、各種ガラス、また、アルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニア、イットリア、リン酸カルシウム等の酸化物セラミックス、さらに、窒化珪素、窒化アルミ、窒化チタン、窒化ボロン等の窒化物セラミックス、また、グラファイト、タングステンカーバイト等の炭化物系セラミックス、その他、例えばチタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、ＰＺＴ、ＰＬＺＴ、ＰＬＬＺＴ等の強誘電体材料などが挙げられる。
以上説明したようなパッケージ５は、配線基板６に支持されている。
【００７８】
（配線基板）
配線基板６は、図示しない配線を有し、かかる配線を介して、配線基板６に搭載された制御部７等の電子部品と、第１パッケージ２２の複数の端子２２３および第２パッケージの複数の端子３６３とを電気的に接続する機能を有する。
また、配線基板６は、複数の端子２２３および複数の端子３６３を介して、パッケージ５を支持する機能をも有する。
【００７９】
本実施形態では、配線基板６は、図５に示すように、その厚さ方向に貫通する貫通孔６１が形成されている。
この貫通孔６１には、パッケージ５が挿入されている。これにより、パッケージ５を配線基板６の面上に搭載する場合に比し、装置全体の低背化を図ることができる。なお、貫通孔６１を省略してもよく、その場合、パッケージ５を配線基板６の一方の面上に配置すればよい。
【００８０】
このような貫通孔６１の周囲において、配線基板６の一方の面には、複数の端子６２および複数の端子６３が設けられている。
複数の端子６２は、前述した第１パッケージ２２の複数の端子２２３に対応して設けられている。そして、複数の端子６２には、それぞれ、対応する複数の端子２２３が接合されている。
【００８１】
また、複数の端子６３は、前述した第２パッケージ３６の複数の端子３６３に対応して設けられている。そして、複数の端子６３には、それぞれ、対応する複数の端子３６３が接合されている。
これらの接合により、パッケージ５が複数の端子２２３および複数の端子３６３を介して配線基板６に支持されるとともに、複数の端子２２３が複数の端子６２にそれぞれ電気的に接続され、複数の端子３６３が複数の端子６３にそれぞれ電気的に接続されている。
【００８２】
端子２２３と端子６２との接合方法、および、端子３６３と端子６３との接合方法としては、それぞれ、接合部の電気的導通を確保しながら接合し得るものであれば、特に限定されず、例えば、半田による接合方法、異方性導電接着剤による接合方法等が挙げられる。また、端子２２３および端子６２が圧着端子のように構成されている場合、端子２２３および端子６２を圧着により接合することもできる。同様に、端子３６３および端子６３が圧着端子のように構成されている場合、端子３６３および端子６３を圧着により接合することもできる。
【００８３】
このような複数の端子２２３、３６３は、それぞれ、図示しない配線を介して、制御部７に電気的に接続されている。
このような配線基板６としては、各種プリント配線基板を用いることができるが、パッケージ５を支持するのに必要な剛性を確保する観点から、リジット部を有する基板、例えば、リジット基板、リジットフレキシブル基板等を用いるのが好ましい。
【００８４】
なお、配線基板６として、リジット部を有しない配線基板（例えば、フレキシブル基板）を用いた場合であっても、例えば、かかる配線基板に、剛性を向上させるための補強部材を接合することにより、パッケージ５を支持するのに必要な剛性を確保することができる。
以上説明したような配線基板６の一方の面には、制御部７が設置されている。なお、配線基板６には、制御部７以外の電子部品が搭載されていてもよい。
【００８５】
［制御部］
図２に示す制御部７は、ヒーター３３、コイル３５および光出射部２１をそれぞれ制御する機能を有する。
本実施形態では、制御部７は、配線基板６に搭載されたＩＣ（Integrated Circuit）チップで構成されている。
このような制御部７は、光出射部２１の共鳴光１、２の周波数を制御する励起光制御部７１と、ガスセル３１中のアルカリ金属の温度を制御する温度制御部７２と、ガスセル３１に印加する磁場を制御する磁場制御部７３とを有する。
【００８６】
励起光制御部７１は、前述した光検出部３２の検出結果に基づいて、光出射部２１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７１は、前述した光検出部３２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２１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７１は、光出射部２１から出射される共鳴光１、２の中心周波数を制御する。
【００８７】
また、温度制御部７２は、温度センサー３４の検出結果に基づいて、ヒーター３３への通電を制御する。これにより、ガスセル３１を所望の温度範囲内に維持することができる。
また、磁場制御部７３は、コイル３５が発生する磁場を制御する機能を有する。
この磁場制御部７３は、コイル３５に電流を供給する電源４に接続され、電源４の駆動を制御することにより、コイル３５が発生する磁場を制御する。
【００８８】
電源４は、コイル３５に供給する電流を出力するものである。
特に、電源４は、励磁電流および消磁電流を同時に発生可能に構成されている。本実施形態では、電源４は、励磁電流および消磁電流を同時に発生させたとき、励磁電流と消磁電流とを重畳した電流を出力可能に構成されている。これにより、前述したような消磁磁場を発生させることができる。
【００８９】
以下、磁場制御部７３および電源４について詳述する。
図７は、図２に示す磁場制御部を説明するためのブロック図である。
電源４は、図７に示すように、直流電流である励磁電流を発生させる励磁電流発生部４１（直流電源）と、経時的に減衰する交番電流である消磁電流（減衰交流）を発生させる消磁電流発生部４２（交流電源）と、励磁電流と消磁電流とを重畳させる電流重畳部４３と、を含んでいる。
【００９０】
励磁電流発生部４１は、例えば、直流電源回路（定電流回路）で構成されている。この励磁電流発生部４１は、発生する励磁電流の電流値が調整可能に構成されていることが好ましい。これにより、所望時に、原子発振器１の周波数特性を調整することができる。
消磁電流発生部４２は、例えば、交流電源回路と、可変変圧器または可変抵抗とを有して構成されている。この消磁電流発生部４２が有する交流電源回路は、周波数が可変であってもよい。
電流重畳部４３は、例えば、加算器で構成されている。
【００９１】
このような比較的簡単な構成で、励磁電流と消磁電流とを重畳した電流を発生可能な電源４を実現することができる。なお、消磁電流発生部４２と電流重畳部４３との間の消磁電流の経路には、開閉可能なスイッチが設けられていてもよい。
このような電源４を制御する磁場制御部７３は、コイル３５に励磁電流と消磁電流とが重畳された電流を供給する消磁モードと、コイル３５に励磁電流を供給する通常モードと、を切換可能である。これにより、任意のタイミングで第２パッケージ３６を消磁することができる。
【００９２】
消磁モードでは、磁場制御部７３は、励磁電流発生部４１および消磁電流発生部４２を同時に動作させる。より具体的には、磁場制御部７３は、励磁電流発生部４１から定常電流である励磁電流を発生させるとともに、消磁電流発生部４２から経時的に減衰する交番電流である消磁電流を発生させる。これにより、励磁電流と消磁電流とを重畳した電流が電源４から出力される。そして、コイル３５は、電源４から励磁電流と消磁電流とを重畳した電流が供給されて消磁磁場を発生させる。これにより、１つのコイルで構成されたコイル３５から直流磁場成分と経時的に減衰する交流磁場成分とが重畳されている消磁磁場を発生させることができる。
【００９３】
このような消磁磁場は、直流磁場成分と経時的に減衰する交流磁場成分とが重畳されているので、コイル３５からの消磁磁場により第２パッケージ３６を、コイル３５からの直流磁場により着磁されるのと同様の若干量の着磁を残留させた状態で消磁することができる。そのため、第２パッケージ３６を消磁した後に、コイル３５から励磁磁場を発生させたとき、コイル３５からの励磁磁場による第２パッケージ３６の経時的な着磁量の変化を防止または抑制することができる。その結果、ガスセル３１内のアルカリ金属に印加される磁場の強度の安定化を図り、周波数長期安定度を向上させることができる。
【００９４】
ここで、消磁磁場の直流磁場成分は、励磁電流に基づくものであり、消磁磁場の交流磁場成分は、消磁電流に基づくものである。したがって、第２パッケージ３６における消磁磁場の直流磁場成分は、励磁磁場に等しいかまたは近似している。これにより、消磁後の第２パッケージ３６に残留する着磁量を、通常モードでコイル３５からの直流磁場により着磁されるのと同様の着磁量とすることができる。そのため、消磁モードで第２パッケージ３６を消磁した後に、通常モードでコイル３５から直流磁場を発生させたとき、コイル３５からの磁場による第２パッケージ３６の経時的な着磁量の変化を小さくする（実質的に無くす）ことができる。なお、消磁モードにおける励磁電流の電流値は、通常モードにおける励磁電流の電流値と等しくすることが好ましいが、通常モードにおける励磁電流の電流値とのずれ量が１０％以下であれば、通常モードの励磁電流の電流値と異なっていてもよい。
【００９５】
一方、通常モードでは、磁場制御部７３は、消磁電流発生部４２を停止させた状態で、励磁電流発生部４１を動作させる。より具体的には、磁場制御部７３は、励磁電流発生部４１から定常電流である励磁電流を発生させるとともに、消磁電流発生部４２から発生する電流の電流値をゼロとする。すなわち、磁場制御部７３は、消磁モードから通常モードへ移行する際、励磁電流発生部４１の動作状態を保ったまま、消磁電流発生部４２を停止させる。これにより、励磁電流のみが電源４から出力される。そして、コイル３５は、電源４から励磁電流が供給されて励磁磁場を発生させる。これにより、前述したようにガスセル３１内のアルカリ金属をゼーマン分裂させ、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。
なお、消磁電流発生部４２と電流重畳部４３との間に開閉可能なスイッチが設けられている場合、励磁電流発生部４１および消磁電流発生部４２の動作状態が消磁モードと同じであっても、かかるスイッチを開放することにより、通常モードとすることができる。
【００９６】
以下、前述したような消磁モードによる周波数長期安定性の向上について、より具体的に説明する。
図８（ａ）は、従来の消磁モード時に励磁コイルに流れる電流の経時的変化を示すグラフ、図８（ｂ）は、図８（ａ）に示す電流を用いた消磁モードから通常モードに移行した時におけるシールド部の着磁量の経時的変化を示すグラフである。また、図９（ａ）は、図７に示す電源から消磁モード時に励磁コイル（消磁コイル）に流れる電流の経時的変化を示すグラフ、図９（ｂ）は、図９（ａ）に示す電流を用いた消磁モードから通常モードに移行した時におけるシールド部の着磁量の経時的変化を示すグラフである。また、図１０は、図７に示す電源から消磁モード時に励磁コイル（消磁コイル）に流れる電流の経時的変化の変形例を示すグラフである。
【００９７】
従来の消磁モードでは、図８（ａ）に示すような電流値がゼロに収束する交番電流を用いて消磁を行う。仮に、図８（ａ）に示すような交番電流をコイル３５に供給して消磁モードを行うと、図８（ｂ）に示すように、消磁モード終了直後の第２パッケージ３６の着磁量は、ゼロとなる。その後、通常モードに切り換えると、第２パッケージ３６は、コイル３５からの励磁磁場により徐々に着磁されていく。この着磁は、コイル３５からの励磁磁場の強度に応じた量Ｂ１で安定化するが、その安定化に、数時間から数か月までの長期間を要してしまう。そのため、その期間の第２パッケージ３６の着磁量の変動が周波数長期安定度に影響を与えてしまい、周波数長期安定度が低下する。
なお、図８では、消磁モードの開始前における第２パッケージ３６の着磁が通常モードにおける第２パッケージ３６の着磁と同極性である場合を例に図示しているが、消磁モードの開始前における第２パッケージ３６の着磁が通常モードにおける第２パッケージ３６の着磁と逆極性である場合も、同様に周波数長期安定度が低下する。
【００９８】
一方、本発明に係る消磁モードでは、図９（ａ）に示すような電流値がゼロとは異なる値Ｉ１（本実施形態では励磁電流の電流値）に収束する交番電流を用いて行う。したがって、図９（ａ）に示すような交番電流をコイル３５に供給して消磁モードを行うと、図９（ｂ）に示すように、消磁モード終了直後の第２パッケージ３６の着磁量は、ゼロとは異なる値Ｂ１となる。この値Ｂ１は、通常モードにおいてコイル３５からの励磁磁場によって安定化する第２パッケージ３６の着磁量と一致または近似している。そのため、消磁モードの後、通常モードに切り換えても、第２パッケージ３６の着磁量は、コイル３５からの励磁磁場により変動せず、安定化する。すなわち、通常モードにおいて、消磁モードの終了直後から第２パッケージ３６の着磁量を安定化させることができる。
このようなことから、原子発振器１では、ガスセル３１内のアルカリ金属に印加される磁場の強度の安定化を図り、周波数長期安定度を向上させることができる。
【００９９】
なお、図９では、消磁モードの開始前における第２パッケージ３６の着磁が通常モードにおける第２パッケージ３６の着磁と同極性である場合を例に図示しているが、消磁モードの開始前における第２パッケージ３６の着磁が通常モードにおける第２パッケージ３６の着磁と逆極性である場合も、同様に周波数長期安定度を向上させることができる。
【０１００】
以上説明したような消磁モードを行う時期は、特に限定されないが、例えば、原子発振器１の発振信号を長期にわたって使用する前である。また、一旦通常モードを行った後であっても、励磁電流の設定値が調整可能である場合には、その調整後に消磁モードを行ってもよい。また、一旦通常モードを行った後であっても、第２パッケージ３６の着磁量が所定値以上となったときに、消磁モードを行ってもよいし、第２パッケージ３６の着磁量に関係なく、所定時間毎に消磁モードを行ってもよい。
また、消磁モードの時間長さ、言い換えると、消磁電流の発生開始から電流値がゼロとなるまでの時間長さは、特に限定されないが、例えば、数秒から数十秒間である。
【０１０１】
また、前述したような消磁モードの前に従来と同様の消磁モードである予備消磁モードを行ってもよい。この場合、電源４は、図１０に示すように、電流値がゼロに収束する交番電流を出力した後に、電流値がゼロとは異なる値Ｉ１に収束する交番電流を出力する。これにより、第２パッケージ３６の着磁量が大きくても、簡単かつ確実に、第２パッケージ３６を所望状態に消磁することができる。そのため、製品間での第２パッケージ３６の着磁量のバラツキを小さくすることができる。
【０１０２】
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、消磁磁場が直流磁場成分と経時的に減衰する交流磁場成分とが重畳されているので、コイル３５からの消磁磁場により第２パッケージ３６を、コイル３５からの直流磁場により着磁されるのと同様の若干量の着磁を残留させた状態で消磁することができる。そのため、第２パッケージ３６を消磁した後に、コイル３５から励磁磁場を発生させたとき、コイル３５からの励磁磁場による第２パッケージ３６の経時的な着磁量の変化を防止または抑制することができる。その結果、ガスセル３１内のアルカリ金属に印加される磁場の強度の安定化を図り、周波数長期安定度を向上させることができる。
【０１０３】
＜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１１は、本発明の第２実施形態に係る原子発振器の一部を拡大して示す断面図、図１２は、図１１に示す原子発振器の磁場制御部を説明するためのブロック図である。また、図１３は、図１２に示す電源から消磁モード時に消磁コイルに流れる電流の経時的変化を示すグラフである。
本実施形態は、消磁コイルが２つのコイルで構成されている以外は、前述した第１実施形態と同様である。
【０１０４】
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１１および図１２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。
本実施形態の原子発振器１Ａは、コイル３９を追加するとともに電流重畳部４３を省略した以外は、前述した第１実施形態の原子発振器１と同様である。
【０１０５】
図１１に示す原子発振器１Ａは、図１２に示すように、コイル３９と、コイル３５、３９に電流を供給する電源４Ａとを備える。
電源４Ａは、励磁電流および消磁電流をそれぞれ独立して出力可能である。
この電源４Ａは、図１２に示すように、励磁電流発生部４１および消磁電流発生部４２を含んでいる。
【０１０６】
本実施形態では、励磁電流発生部４１は、コイル３５に電気的に接続され、コイル３５に励磁電流を供給する。また、消磁電流発生部４２は、コイル３９に電気的に接続され、コイル３９に消磁電流を供給する。
このような比較的簡単な構成で、直流電流と経時的に減衰する交番電流とをそれぞれ発生可能な電源４Ａを実現することができる。
【０１０７】
コイル３９は、電源４Ａから消磁電流が供給されて消磁磁場の交流磁場成分を発生させる「交番磁場コイル」を構成する。また、コイル３５は、電源４Ａから励磁電流が供給されて消磁磁場の直流磁場成分を発生させる「直流磁場コイル」を構成する。これにより、コイル３９からの交流磁場成分と、コイル３５から直流磁場成分とを重畳させることにより、消磁磁場を発生させることができる。
このように２つのコイル３５、３９を用いて消磁磁場を発生させることにより、原子発振器１Ａの設計の自由度を高めることができる。
【０１０８】
ここで、励磁磁場を発生させるコイル３５が消磁磁場の直流磁場成分を発生させる直流磁場コイルを兼ねているので、部品点数を少なくし、原子発振器１Ａの小型化および低コスト化を図ることができる。
このような電源４Ａを制御する磁場制御部７３は、コイル３５に励磁電流を供給するとともにコイル３９に消磁電流を供給する消磁モードと、コイル３５に励磁電流を供給する通常モードと、を切換可能である。これにより、任意のタイミングで第２パッケージ３６を消磁することができる。
【０１０９】
消磁モードでは、磁場制御部７３は、励磁電流発生部４１および消磁電流発生部４２を同時に動作させる。これにより、図１３に示すように、電源４Ａから励磁電流および消磁電流が同時に出力され、コイル３９からの交流磁場成分と、コイル３５から直流磁場成分とが重畳されることにより、消磁磁場を発生させることができる。
一方、通常モードでは、磁場制御部７３は、消磁電流発生部４２を停止させた状態で、励磁電流発生部を動作させる。これにより、励磁電流のみが電源４Ａから出力され、コイル３５は、電源４Ａから励磁電流が供給されて励磁磁場を発生させる。
【０１１０】
また、コイル３９は、図１１に示すように、第２パッケージ３６とパッケージ５との間に配置されている。これにより、コイル３９を第２パッケージ３６内に配置する場合に比し、第２パッケージ３６の小型化を図ることができる。また、第２パッケージ３６を気密パッケージとした場合、小型化により第２パッケージ３６内の真空度を高く保つことが容易となる。また、第２パッケージ３６およびパッケージ５の双方が磁気シールド性を有する場合、コイル３９からの磁場により第２パッケージ３６およびパッケージ５の双方を効率的に消磁することができる。
本実施形態では、コイル３９は、コイル３５と同心的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、第２パッケージ３６とパッケージ５との間の空間を有効利用してコイル３９を配置することができる。
【０１１１】
なお、コイル３９は、コイル３５と同心的に、かつ、第２パッケージ３６を挟んで配置されたヘルムホルツコイルで構成することもできる。
以上説明したような第２実施形態によっても、コイル３５からの磁場による第２パッケージ３６の経時的な着磁量の変化を防止または抑制し、周波数長期安定度を向上させることができる。
【０１１２】
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。
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。
【０１１３】
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。
【０１１４】
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。
【０１１５】
３．移動体
図１５は、本発明の原子発振器を備える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。
【０１１６】
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、本発明の原子共鳴遷移装置、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。
また、本発明は、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。
【０１１７】
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、光出射部およびガスセルが別々のパッケージに収納されている場合を例に説明したが、光出射部、ガスセルおよび光検出部等が同一のパッケージ（遮蔽部または内側遮蔽部）に収納されていてもよい。
【０１１８】
また、前述した実施形態では、消磁磁場の直流磁場成分を得るための直流電流として、励磁電流を用いているが、励磁電流とは別の電源からの直流電流を用いてもよい。この場合、消磁磁場の直流磁場成分を得るための直流電流は、励磁電流と向きが同じであり、かつ、励磁電流の電流値と一致または近似していることが好ましい。
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を本発明の原子共鳴遷移装置の例として説明したが、本発明の原子共鳴遷移装置は、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適用可能である。
【符号の説明】
【０１１９】
１‥‥原子発振器  １Ａ‥‥原子発振器  ２‥‥第１ユニット  ３‥‥第２ユニット  ４‥‥電源  ４Ａ‥‥電源  ５‥‥パッケージ  ６‥‥配線基板  ７‥‥制御部  ２１‥‥光出射部  ２２‥‥第１パッケージ  ２３‥‥窓部  ３１‥‥ガスセル  ３２‥‥光検出部  ３３‥‥ヒーター  ３４‥‥温度センサー  ３５‥‥コイル  ３６‥‥第２パッケージ  ３７‥‥窓部  ３８‥‥基板  ３９‥‥コイル  ４１‥‥励磁電流発生部  ４２‥‥消磁電流発生部  ４３‥‥電流重畳部  ５０‥‥本体  ５１‥‥凹部  ５２‥‥支持部  ５３‥‥支持部  ５４‥‥蓋体  ６１‥‥貫通孔  ６２‥‥端子  ６３‥‥端子  ７１‥‥励起光制御部  ７２‥‥温度制御部  ７３‥‥磁場制御部  １００‥‥測位システム  ２００‥‥衛星  ２２１‥‥基体  ２２２‥‥蓋体  ２２３‥‥端子  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  ３１１‥‥本体部  ３１２‥‥窓部  ３１３‥‥窓部  ３３１‥‥発熱抵抗体  ３３２‥‥発熱抵抗体  ３６１‥‥基体  ３６２‥‥蓋体  ３６３‥‥端子  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  ５２１‥‥貫通孔  ５３１‥‥貫通孔  １５００‥‥移動体  １５０１‥‥車体  １５０２‥‥車輪  ａ‥‥光軸  ＬＬ‥‥励起光  Ｓ‥‥内部空間  Ｓ１‥‥内部空間
【図１】
2015061091.tif 000003
【図２】
2015061091.tif 000004
【図３】
2015061091.tif 000005
【図４】
2015061091.tif 000006
【図５】
2015061091.tif 000007
【図６】
2015061091.tif 000008
【図７】
2015061091.tif 000009
【図８】
2015061091.tif 000010
【図９】
2015061091.tif 000011
【図１０】
2015061091.tif 000012
【図１１】
2015061091.tif 000013
【図１２】
2015061091.tif 000014
【図１３】
2015061091.tif 000015
【図１４】
2015061091.tif 000016
【図１５】
2015061091.tif 000017