(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ルビジウム原子と、
前記ルビジウム原子を封入しているガスセル本体と、
前記ガスセル本体から外部に突出していてルビジウム金属を貯留するための金属溜まり
部を備えているガスセルと、
マイクロ波を前記ガスセルに向けて放射する放射用アンテナと、
前記マイクロ波を受信する受信用アンテナと、
を有するマイクロ波共振器を備え、
前記金属溜まり部が、前記ガスセルの前記放射用アンテナと前記受信用アンテナとがあ
る側の端に寄っていて、
前記ガスセルの軸方向と直交する断面に対して棒状の前記放射用アンテナを平行に配置
され、
前記軸方向からの平面視で、前記断面の中心点と前記金属溜まり部とを結ぶ直線と、前
記中心点を通過して前記放射用アンテナと直交する線との間に形成される角度が８０度以
上１６０度以下の範囲にあり、前記断面の中心点を通過して前記放射用アンテナと直交す
る線を基準とした角度が１８０度以上２７０度以下の範囲に前記受信用アンテナが配置さ
れている、
ことを特徴とするルビジウム原子発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ルビジウム原子発振器の改良に関し、さらに詳しくは、マイクロ波を放射す
る放射用アンテナとルビジウムガスセルの金属溜まり部との適正な位置関係に関するもの
である。
【背景技術】
【０００２】
近年、通信網や放送網等のディジタルネットワーク化が進み、これに伴い、伝送装置の
クロック信号や放送局の基準周波数の生成に使用されるクロック源等として、高精度・高
安定な発振器が必要不可欠なものとなっている。そのような要請を満たす発振器として、
発振周波数の精度・安定度が高いルビジウム原子発振器が多く用いられている。また、近
年、原子発振器の小型化への要求が高まり、光マイクロ波ユニット(ＯＭＵ部)も含めて全
体を小型化する必要性に迫られている。この小型化に伴って、マイクロ波共振器も小型化
が余儀なくされている。しかし、マイクロ波共振器を小型化した場合、マイクロ波の放射
用アンテナとルビジウムガスセルの金属溜まり部が近接してしまい、種々の問題を発生す
る原因となっている。即ち、マイクロ波共振器はその特性上、共振用の筒（空胴共振器）
内に何らかの異物、特に金属が存在する場合、マイクロ波の共振にとって非常に損失とな
るばかりでなく、共振周波数自体が変化して共振特性が悪化するといった問題がある。言
い換えると、金属溜まり部と放射用アンテナとの位置関係が共振特性に大きく影響すると
いうことである。
【０００３】
この課題を解決する従来技術として特許文献１には、マイクロ波共振器が所望の波長の
マイクロ波に同調するように共振器の長さを変える同調方法に加えて、共振波長を短縮し
共振器の小型化を図るために、円筒型誘電体の一部に切り欠きを設け、この切り欠きの配
置角度を変えて同調できるようにして、同調範囲を拡大する技術について開示されている
。
【特許文献１】特開２００１−３０８４１６公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に開示されている従来技術は、誘電体に切り欠きを形成する
加工が必要となるため誘電体の部品コストが高くなるといった問題がある。また、特許文
献１は金属溜まり部とアンテナとの位置関係を考慮していないため、その位置関係が適切
でない場合、同調範囲が大幅に狭くなってしまうといった問題がある。
しかし、これまで金属溜まり部とアンテナとの位置関係が適正に設定されていないこと
に起因して発生していた不具合について着眼し、改善策を講じた提案はなされていない。
【０００５】
本発明は、かかる課題に鑑み、放射用アンテナとルビジウム金属溜まり部の位置関係を
適正化することにより、マイクロ波共振器を小型化する際に生じる共振特性の悪化を抑制
することができるルビジウム原子発振器を提供することを目的とする。
また、他の目的は、放射用アンテナとルビジウム金属溜まり部の位置関係を適正化し、
マイクロ波強度を測定する受信用アンテナの適正な位置を決定することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明はかかる課題を解決するために、ルビジウムガスを充填するガスセル本体及び該
ガスセル本体内で気化し切れないルビジウム金属を貯留するために前記ガスセル本体適所
から外部に突出した金属溜まり部を備えた筒状のガスセルと、マイクロ波を前記ガスセル
に向けて放射する放射用アンテナと、前記マイクロ波の強度を測定するために備えられた
受信用アンテナと、を有するマイクロ波共振器を備えたルビジウム原子発振器であって、
前記放射用アンテナと前記金属溜まり部との相対位置関係を、前記マイクロ波共振器内の
マイクロ波強度が所定の強度以上になるように設定されていることを特徴とする。
マイクロ波共振器を小型化すると、放射用アンテナとガスセルの金属溜まり部との位置
関係によっては、共振特性を悪化させてしまう場合がある。しかし、これまでこのような
問題点について着眼し、改善策を講じた提案はなされていない。そこで本発明では、共振
特性を悪化させない適正な位置関係を設定するために、放射用アンテナと金属溜まり部の
相対位置関係を、マイクロ波共振器内のマイクロ波強度が所定の強度以上になるように、
受信用アンテナにより測定して決定するものである。これにより、小型化に伴う共振特性
の悪化を最小限にすることができる。
【０００７】
また、前記ガスセルの軸方向と直交する断面に対して棒状の前記放射用アンテナを平行
に配置し、前記ガスセルの前記断面の中心点と前記金属溜まり部とを結ぶ直線と前記放射
用アンテナと直交する線との間に形成される角度が所定の範囲内になるように、前記金属
溜まり部、又は／及び、前記放射用アンテナを配置することを特徴とする。
本発明では、棒状の放射用アンテナをガスセルの軸方向（ルビジウムランプからの入射
光の光軸方向）と直交する断面に対して平行に配置し、ガスセルの中心と金属溜まり部を
結ぶ直線と放射用アンテナの垂線との間に形成される角度が、所定の角度になるように金
属溜まり部と放射用アンテナを相対的に配置するものである。これにより、何れか一方を
固定することにより、一義的に他方の位置を決定することができる。
【０００８】
また、前記角度を１２０度±４０度、又は−１２０度±４０度の範囲としたことを特徴
とする。
この角度は正方向では８０度から１６０度の範囲内であり、負方向ではマイナス８０度
からマイナス１６０度の範囲内となる。このように角度の範囲と方向が設定されるので、
設定位置に自由度が生じマイクロ波共振器の組み立てが容易になる。
【０００９】
また、前記受信用アンテナを、前記放射用アンテナ及び前記金属溜まり部の双方から可
能な限り遠方に配置したことを特徴とする。
マイクロ波は周囲に金属等の異物が存在すると共振特性を悪化させる。そのため、金属
部分を有する受信用アンテナは共振特性に影響を与える虞がある。そこで本発明では、受
信用アンテナを放射用アンテナ及び金属溜まり部の双方から可能な限り遠方に配置するも
のである。これにより、受信用アンテナによる共振特性の影響を極力少なくすることがで
きる。
【００１０】
また、前記ガスセルの前記断面に対して棒状の前記受信用アンテナを平行に配置し、前
記角度を１２０度±４０度の範囲とし、前記ガスセルの中心点を通過する前記放射用アン
テナと直交する線を基準とした角度が１８０度乃至２７０度の円弧の範囲内に前記受信用
アンテナを配置し、或いは前記角度を−１２０度±４０度の範囲とし、前記ガスセルの中
心点を通過する前記放射用アンテナと直交する線を基準とした角度が−１８０度乃至−２
７０度の円弧の範囲内に前記受信用アンテナを配置することを特徴とする。
受信用アンテナを放射用アンテナ及び金属溜まり部の双方から可能な限り遠方に配置す
る具体的な位置は、放射用アンテナ及び金属溜まり部双方の位置により異なる。即ち、放
射用アンテナ及び金属溜まり部の角度が１２０度±４０度の場合、ガスセルの中心点を中
心とした角度が１８０度乃至２７０度の円弧の範囲内に受信用アンテナを配置し、角度が
−１２０度±４０度の場合、ガスセルの中心点を中心とした角度が−１８０度乃至−２７
０度の円弧の範囲内に受信用アンテナを配置するものである。これにより、放射用アンテ
ナ及び金属溜まり部双方の位置に対して夫々最適な位置に受信用アンテナを配置すること
ができる。
【００１１】
また、少なくとも前記放射用アンテナ及び前記受信用アンテナを、プリント基板上に形
成したことを特徴とする。
放射用アンテナ及び受信用アンテナは、適正な角度に配置されれば、どのような形態で
も良いが、別途固定用の金属部材を用いずにアンテナを固定するためには、プリント基板
にアンテナのパターンを直接形成するのが好ましい。これにより、大量生産が可能となり
、部品コストを低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
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。
図１は本発明のルビジウム原子発振器の概略構成を示すブロック図である。このルビジ
ウム原子発振器１００は、ルビジウムランプ（以下、Ｒｂランプと記す）５を点灯するラ
ンプ励振部１と、ルビジウムガスセル（以下、Ｒｂガスセルと記す）６中のルビジウムガ
スを励起するＲｂランプ５と、ルビジウム原子を封入したＲｂガスセル６と、Ｒｂガスセ
ル６中のルビジウム原子の共鳴周波数付近で共振するマイクロ波共振器３と、マイクロ波
共振器３にマイクロ波を放射する放射用アンテナ４と、マイクロ波共振器３内のマイクロ
波強度を測定する受信用アンテナ２と、Ｒｂガスセル６を透過した光の強度を検出するフ
ォトセンサ７と、Ａｍｐ９に現れる低周波振幅変調信号の位相を弁別する位相弁別器１０
と、マイクロ波の位相を低周波により変調する低周波位相信号発生器１１と、電圧制御水
晶発振器１３の発振信号をマイクロ波に逓倍する周波数逓倍合成変調部１２と、位相弁別
器１０の電圧に基づいて所定の周波数を発振する電圧制御水晶発振器１３と、を備えて構
成されている。尚、Ｒｂランプ５、マイクロ波共振器３及びフォトセンサ７により構成さ
れるユニットを光マイクロ波ユニット８と呼ぶ。また、周波数逓倍合成変調部１２の出力
は放射用アンテナ４に接続されている。
【００１３】
次に、本発明のルビジウム原子発振器の動作については公知であるので、ここでは説明
を省略するが、本発明の主たる構成要素であるマイクロ波共振器３について概略を説明す
る。
ルビジウム原子発振器の動作プロセスにおいて、定常状態にあるエネルギ準位（Ｆ＝１
）より高い準位（Ｆ＝２）にある電子をＦ＝１の準位に落とすためのマイクロ波の存在が
原子発振器として動作させるに当たって非常に重要であり、そのマイクロ波の強度を十分
高めるためにマイクロ波共振器が用いられる。そして、マイクロ波共振器３内に取り付け
た放射用アンテナ４から６．８３４６８・・ＧＨｚを送出し、この周波数に共振するよう
にマイクロ波共振器は設計されている。また、実用上、マイクロ波共振器３内のマイクロ
波強度を測定するために放射用アンテナ４とは別に受信用アンテナ２を配置している。
【００１４】
図２は本発明の一実施形態に係るマイクロ波共振器の構成図である。図２（ａ）は側面
図、図２（ｂ）は基板をアンテナ実装面から見た図、図２（Ａ）は基板を除いた側面図、
図２（Ｂ）は基板を除いたときの正面図である。尚、本実施形態では、内部の配置を破線
で表している。
このマイクロ波共振器３は、Ｒｂガスセル６を内部に保持すると共に、内部温度を所定
の温度に維持する円筒状のガスセル熱筒３０と、ガスセル熱筒３０の円筒内の長さを調整
して共振周波数を調整する同調調整用リング２１と、ルビジウムガスを充填するガスセル
本体６ｂ及びガスセル本体６ｂ内で気化し切れないルビジウム原子を貯留するためにガス
セル本体６ｂの適所から外部に突出した金属溜まり部２３を備えた筒状のＲｂガスセル６
と、マイクロ波をＲｂガスセル６に放射する放射用アンテナ４と、マイクロ波の強度を測
定するために備えられた受信用アンテナ２と、Ｒｂガスセル６を透過した光の強度を検出
するフォトセンサ７と、共振波長を短縮する誘電体２２と、を備えて構成されている（図
２（ａ）参照）。また、放射用アンテナ４及び受信用アンテナ２は、適正な角度に配置さ
れれば、どのような形態でも良いが、別途固定用の金属部材を用いずにアンテナを固定す
るためには、基板２５にアンテナのパターンを直接形成するのが好ましい。これにより、
大量生産が可能となり、部品コストを低減することができる。即ち、受信用アンテナ２、
放射用アンテナ４及びフォトセンサ７は基板２５に備えられ、基板２５がネジ２６により
ガスセル熱筒３０に固定されている（図２（ｂ）参照）。また、Ｒｂガスセル６は誘電体
２２に嵌挿されており、ガスセル熱筒３０の円筒の中心軸の周りに回転できるようになっ
ているため、任意の回転位置でＲｂガスセル６を固定することができる。従って、金属溜
まり部２３はＲｂガスセル６を回転することで位置を円状に移動することができる（図２
（Ａ）、（Ｂ）参照）。
【００１５】
マイクロ波共振器３を小型化すると、放射用アンテナ４とＲｂガスセル６の金属溜まり
部２３との位置関係によっては、共振特性を悪化してしまう場合がある。そこで本実施形
態では、共振特性を悪化させない適正な位置関係を設定するために、放射用アンテナ４と
金属溜まり部２３の相対位置関係を、マイクロ波共振器３内のマイクロ波強度が所定の強
度以上になるように、受信用アンテナ２により測定して決定するものである。これにより
、小型化に伴う共振特性の悪化を最小限にすることができる。尚、受信用アンテナ２は同
調調整用リング２１を調整する際にも使用される。
【００１６】
図３は放射用アンテナと金属溜まり部の位置関係を説明する図である。図３（ａ）は正
面図、図３（ｂ）は基板とＲｂガスセルの相対位置関係を示す斜視図である。前述したよ
うに、放射用アンテナ４と金属溜まり部２３の位置関係を適正にすることが、マイクロ波
共振器を小型化するために必要である。そこで本発明では、放射用アンテナ４と金属溜ま
り部２３の相対位置関係を、Ｒｂガスセル６の円周上に設けられた金属溜まり部２３が回
転するときの角度αにより定義するものとする。即ち、放射用アンテナ４と金属溜まり部
２３の相対位置関係は、マイクロ波共振器３内のマイクロ波強度が所定の強度以上になる
ように決定されなければならない。言い換えると、Ｒｂガスセル６の円筒断面６ａに対し
て放射用アンテナ４を平行に配置した場合、Ｒｂガスセル６の円筒断面６ａの中心Ｐと金
属溜まり部２３を結ぶ直線ＰＣと放射用アンテナ４に下ろした垂線ＡＢとの成す角度α（
角ＡＰＣ）が所定の範囲内になるように、金属溜まり部２３又は／及び放射用アンテナ４
を配置するものである。尚、角度αは放射用アンテナ４と金属溜まり部２３が相対的に配
置されたときの角度であり、例えば、放射用アンテナ４を先に固定して金属溜まり部２３
をＲｂガスセル６の円周上に回転しても良い。又は、金属溜まり部２３を先に固定し、基
板２５を回転して放射用アンテナ４を移動しても良い。
【００１７】
図４は放射用アンテナと金属溜まり部の適正な位置関係を説明する図である。
本発明では、角度αの適正値を決定するために、後述する実施例により角度αを種々変
化させ、マイクロ波の強度を受信用アンテナ２で受信して測定することにより決定した（
詳細は後述する）。その結果、α＝１２０°±４０°とすることが最適であることが分か
った。
図４（ａ）はα＝１２０°−４０°＝８０°のときの放射用アンテナ４と金属溜まり部
２３の位置関係を示したものであり、放射用アンテナ４と金属溜まり部２３が最も接近し
た状態である。このとき放射用アンテナ４と金属溜まり部２３のいずれもが、受信用アン
テナ２から最も離れた状態にある。図４（ｂ）はα＝１２０°のときの放射用アンテナ４
と金属溜まり部２３の位置関係を示したものであり、放射用アンテナ４と受信用アンテナ
２の略中間に金属溜まり部２３が位置した状態である。図４（ｃ）はα＝１２０°＋４０
°＝１６０°のときの放射用アンテナ４と金属溜まり部２３の位置関係を示したものであ
り、放射用アンテナ４と金属溜まり部２３が最も離れた状態である。このとき、受信用ア
ンテナ２に金属溜まり部２３が最も接近した状態にある。尚、角度αを反対方向に回転し
て、α＝−１２０°±４０°としても構わない。
【００１８】
本実施形態では、棒状の放射用アンテナ４をＲｂガスセル６の軸方向と直交する断面に
対して平行に配置し、Ｒｂガスセル６の中心Ｐと金属溜まり部２３を結ぶ直線と放射用ア
ンテナ４に下ろした垂線との成す角度αが、所定の角度になるように金属溜まり部２３と
放射用アンテナ４を相対的に配置するものである。これにより、金属溜まり部２３或いは
放射用アンテナ４の何れか一方を先に固定することにより、一義的に他方の位置を決定す
ることができる。
また、この角度αは正方向では８０°〜１６０°の範囲内であり、負方向では−８０°
〜−１６０°の範囲内となる。このように角度の範囲と方向が設定されるので、設定位置
に自由度が生じマイクロ波共振器の組み立てが容易になる。
【００１９】
以上のように、放射用アンテナ４と金属溜まり部２３の位置関係を決定したが、同時に
受信用アンテナ２の位置も適正に配置する必要がある。即ち、マイクロ波は周囲に金属等
の異物が存在すると共振特性を悪化させる。そのため、金属部材を有する受信用アンテナ
２も、共振特性に影響を与える虞がある。そこで本実施形態では、受信用アンテナ２を放
射用アンテナ４及び金属溜まり部２３の双方から可能な限り遠方に配置するよう考慮して
いる。これにより、受信用アンテナ２による共振特性の影響を極力少なくすることができ
る。
またその位置としては図５に示すように、Ｒｂガスセル６の円筒断面６ａに対して受信
用アンテナ２を平行に配置し、角度α＝１２０°±４０°の範囲とし、Ｒｂガスセル６の
円筒断面６ａの円弧角度βが１８０°〜２７０°の円弧Ｓの範囲内に受信用アンテナ２を
配置するのが好ましい。或いは、α＝−１２０°±４０°の範囲とし、Ｒｂガスセル６の
円筒断面の円弧角度βが−１８０°〜−２７０°の円弧の範囲内に受信用アンテナ２を配
置することが好ましい。これにより、放射用アンテナ４及び金属溜まり部２３双方の位置
に対して夫々最適な位置に受信用アンテナ２を配置することができる。
【００２０】
図６は本発明のマイクロ波共振器の放射用アンテナと金属溜まり部の位置関係（角度α
）と、マイクロ波強度の関係を示す図である。尚、各マイクロ波強度は後述する図９〜図
１７により測定した値の最大値をプロットしている。縦軸はマイクロ波強度（ｄＢｍ）で
あり、横軸は角度θ（α）（°）である。尚、データ（図９〜図１７）を測定するときの
角度θの基準点が図３で説明した角度αの基準点と異なるので、換算して対応付けて表示
している。即ち、図７のように放射用アンテナ４の端部Ｄで直線３３と円３４が接するよ
うに描き、端部Ｄから直線３３に直交する垂線３２を引いたとき、円３４の中点Ｐを通る
前記垂線３２と、中点Ｐと金属溜まり部２３を結ぶ直線ＰＱとの成す角度をθと定義する
。
図６が示すように、最も強い強度（−２２．０１ｄＢｍ）を示す角度はθ＝４５°（α
＝９０°）のときであり、最も弱い強度（−３７．４ｄＢｍ）を示す角度はθ＝２７０°
（α＝３１５°）のときであることが分かる。即ち、図４で決定したα＝８０°〜１６０
°は図６の範囲Ａに相当し、実験からマイクロ波強度が強い範囲であることが実証された
。
【００２１】
図８は本発明の一実施形態に係るマイクロ波共振器の分解構成図である。同じ構成要素
には図２と同じ参照番号を付して説明する。モールドブロック３４は、同調調整用リング
２１を備えるよう構成されており、これをガスセル熱筒３０にセットするようになってい
る。また、Ｒｂガスセル６は誘電体２２の中空部分である中心孔２２ａに挿入されガスセ
ル熱筒３０内に保持される。また、基板２５には予め金属溜まり部２３と前述した位置関
係になるように放射用アンテナ４と受信用アンテナ２が実装されている。そしてこれらを
軸ＸＹが中心軸となるように組み立てることにより、一つのマイクロ波共振器３が完成す
る。
【００２２】
図９〜図１７は、図７の角度θを０°、４５°、９０°、１３５°、１８０°、２２５
°、２７０°、３１５°、３６０°にそれぞれ設定した場合の、マイクロ波強度の周波数
特性を示したものである。縦軸はマイクロ波の強度（ｄＢｍ）であり、横軸は周波数（周
波数幅：２００ＭＨｚ）である。ここで、Ａはマイクロ波強度が最大となった点を示して
いる。例えば、図９の角度θ＝０°の場合で説明すると、マイクロ波の周波数が６．８８
０５ＧＨｚのときに、マイクロ波の強度が最大−２５．３２ｄＢｍになることを示してい
る。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明のルビジウム原子発振器の概略構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るマイクロ波共振器の構成図である。
【図３】放射用アンテナと金属溜まり部の位置関係を説明する図である。
【図４】放射用アンテナと金属溜まり部の適正な位置関係を説明する図である。
【図５】受信用アンテナの適正な位置関係を説明する図である。
【図６】マイクロ波共振器の放射用アンテナと金属溜まり部の位置関係（角度α）とマイクロ波強度の関係を示す図である。
【図７】角度θを定義する図である。
【図８】本発明の一実施形態に係るマイクロ波共振器の分解構成図である。
【図９】図７の角度θを０°としたときのマイクロ波強度の周波数特性図である。
【図１０】図７の角度θを４５°としたときのマイクロ波強度の周波数特性図である。
【図１１】図７の角度θを９０°としたときのマイクロ波強度の周波数特性図である。
【図１２】図７の角度θを１３５°としたときのマイクロ波強度の周波数特性図である。
【図１３】図７の角度θを１８０°としたときのマイクロ波強度の周波数特性図である。
【図１４】図７の角度θを２２５°としたときのマイクロ波強度の周波数特性図である。
【図１５】図７の角度θを２７０°としたときのマイクロ波強度の周波数特性図である。
【図１６】図７の角度θを３１５°としたときのマイクロ波強度の周波数特性図である。
【図１７】図７の角度θを３６０°としたときのマイクロ波強度の周波数特性図である。
【符号の説明】
【００２４】
１  ランプ励振部、２  受信用アンテナ、３  マイクロ波共振器、４  放射用アンテナ
、５  Ｒｂランプ、６  Ｒｂガスセル、７  フォトセンサ、８  光マイクロ波ユニット、
９  Ａｍｐ、１０  位相弁別器、１１  低周波位相信号発生器、１２  周波数逓倍合成変
調部、１３  電圧制御水晶発振器、２１  同調調整用リング、２２  誘電体、２３  金属
溜まり部、２５  基板、３０  ガスセル熱筒、１００  ルビジウム原子発振器
【図１】
0005292675.tif 000002
【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】
0005292675.tif 000012
【図１２】
0005292675.tif 000013
【図１３】
0005292675.tif 000014
【図１４】
0005292675.tif 000015
【図１５】
0005292675.tif 000016
【図１６】
0005292675.tif 000017
【図１７】
0005292675.tif 000018