(57)【要約】【課題】原子発振器の光源に入力される高周波信号の周波数を短時間に安定させることができる原子発振器を得ることを目的とする。【解決手段】金属原子が封入されているガスセルと、前記ガスセルの周囲に配置されるコイルと、前記ガスセルに励起光を射出するレーザー光源と、を少なくとも含む量子干渉装置と、前記レーザー光源の変調用高周波信号を生成する励起光制御部を含む回路基板と、を含む原子発振器であって、前記回路基板には、前記励起光制御部と前記レーザー光源と、を接続する高周波信号伝達経路の前記回路基板の側の端部と、前記励起光制御部と、の間に高周波伝達配線が配設され、前記回路基板の前記高周波伝達配線が配置される基板面上には保護層が形成され、前記保護層は、前記高周波伝達配線の上面の一部を露出する開口部が形成されている原子発振器。【選択図】図１
2017135529.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属原子が封入されているガスセルと、前記ガスセルの周囲に配置されるコイルと、前記ガスセルに励起光を射出するレーザー光源と、を少なくとも含む量子干渉装置と、
前記レーザー光源の変調用高周波信号を生成する励起光制御部を含む回路基板と、を含む原子発振器であって、
前記回路基板には、前記励起光制御部と前記レーザー光源と、を接続する高周波信号伝達経路の前記回路基板の側の端部と、前記励起光制御部と、の間に高周波伝達配線が配設され、
前記回路基板の前記高周波伝達配線が配置される基板面上には保護層が形成され、
前記保護層には、前記高周波伝達配線の上面の一部を露出する開口部が形成されている、
ことを特徴とする原子発振器。
【請求項２】
前記保護層は、前記開口部に連続して前記高周波伝達配線の平面視において、前記開口部に連続し、前記高周波伝達配線に沿って前記基板面が露出される離間部が形成されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の原子発振器。
【請求項３】
前記高周波伝達配線の上面には電気絶縁層が設けられ、前記電気絶縁層は前記保護層より吸湿率が低い、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の原子発振器。
【請求項４】
前記高周波伝達配線は、複数の導電膜が積層することにより形成され、前記複数の導電膜の最上層が金である、
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか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、原子発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。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。
【０００３】
いずれの方式の原子発振器においても、アルカリ金属をガスセル内に緩衝ガスとともに封入されており、このガスセルに入射した光が、アルカリ金属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って原子共鳴を検知し、検知された原子共鳴を制御系によって基準信号として出力する。このような原子発振器として、基板上にガスセルを設け、ガスセルを挟んだ両側に光（励起光）の光源と、検出部とが配置されている構成が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、ＣＰＴを利用した原子発振器は、二重共鳴現象を利用した原子発振器に比し小型であることから、様々な電子機器へ原子発振器を組み込むことが期待されている。電子機器への組み込みには、原子発振器をさらに小型化、低背化するとともに、安定した発振性能を備えることが期待される。更に、電子機器においては電源投入から安定した性能が得られるまでの時間、いわゆる待ち時間を短縮させることで、作業性の向上が図られることも求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２３１６８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、ＣＰＴを利用した原子発振器を備える電子機器などは、起動時に原子発振器の励起光に入力される高周波信号が短時間では安定せず、待機時間を必要とする課題があった。そこで、原子発振器の光源に入力される高周波信号の周波数を短時間に安定させることができる原子発振器を得ることを目的とする。
【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。
【０００８】
〔適用例１〕本適用例の原子発振器は、金属原子が封入されているガスセルと、前記ガスセルの周囲に配置されるコイルと、前記ガスセルに励起光を射出するレーザー光源と、を少なくとも含む量子干渉装置と、前記レーザー光源の変調用高周波信号を生成する励起光制御部を含む回路基板と、を含む原子発振器であって、前記回路基板には、前記励起光制御部と前記レーザー光源と、を接続する高周波信号伝達経路の前記回路基板の側の端部と、前記励起光制御部と、の間に高周波伝達配線が配設され、前記回路基板の前記高周波伝達配線が配置される基板面上には保護層が形成され、前記保護層は、前記高周波伝達配線の上面の一部を露出する開口部が形成されていることを特徴とする。
【０００９】
本適用例の原子発振器に備える回路基板に形成された保護層に含まれる水分などの揮発成分が、原子発振器の動作時に、例えばガスセルを加熱するヒーター、レーザー光源を加熱するヒーター、あるいはＩＣなどの電子部品の加熱などの熱源から発生する熱によって温度上昇によって徐々に揮発蒸散される。保護層の揮発成分の蒸散による揮発性成分の含有率の変化は、保護層の誘電率の変化をもたらす。
【００１０】
そこで、本適用例の原子発振器は、レーザー光源を動作させる変調用高周波信号が生成される励起光制御部から変調用高周波信号が伝達される高周波伝達配線領域に保護層を形成しないことにより、保護層の誘電率の変化の影響を排除し、短時間に安定した出力周波数を得ることができる。
【００１１】
〔適用例２〕上述の適用例において、前記保護層は、前記開口部に連続して前記高周波伝達配線の平面視において、前記開口部に連続し、前記高周波伝達配線に沿って前記基板面が露出される離間部が形成されていることを特徴とする。
【００１２】
上述の適用例によれば、高周波伝達配線に離間させて保護層が形成され、より保護層の誘電率の変化の影響を受けにくくすることができる。従って、保護層の誘電率の変化の影響を排除し、短時間に安定した出力周波数を得ることができる。
【００１３】
なお、本適用例における平面視とは、高周波伝達配線が配設される回路基板面に直交する方向に矢視する状態をいう。
【００１４】
〔適用例３〕上述の適用例において、前記高周波伝達配線の上面には電気絶縁層が設けられ、前記電気絶縁層は前記保護層より吸湿率が低いことを特徴とする。
【００１５】
上述の適用例によれば、高周波伝達配線の表面を保護し、回路の劣化、電気的な短絡（ショート）など、を防止することができる。
【００１６】
〔適用例４〕上述の適用例において、前記高周波伝達配線は、複数の導電膜が積層することにより形成され、前記複数の導電膜の最上層が金であることを特徴とする。
【００１７】
上述の適用例によれば、耐食性に優れる金を最上層に積層することにより、下層の例えば銅配線の腐食を防止する。更には、吸水による誘電率の変化を生じない保護層を形成することができる。また、高周波伝達配線における高周波伝達ロスを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１実施形態に係る原子発振器を示す平面外観図。
【図２】図１に示すＡ−Ａ´部の断面図。
【図３】図２に示すＢ−Ｂ´部の断面図。
【図４】第１実施形態に係る原子発振器の概略構成図。
【図５】第１実施形態に係る原子発振器のガスセル内におけるアルカリ金属のエネルギー状態を説明するための図。
【図６】第１実施形態に係る原子発振器の光射出部（光源）および光検出部について、光射出部（光源）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。
【図７】図１に示すＣ−Ｃ´部の断面図。
【図８】図１に示すＤ−Ｄ´部の断面図。
【図９】第１実施形態に示す原子発振器の出力周波数の経時変化を模式的に示すグラフ。
【図１０】第１実施形態に係る原子発振器のレジスト膜のその他の形態を示す断面図。
【図１１】第１実施形態に係る原子発振器のレジスト膜のその他の形態を示す断面図。
【図１２】第１実施形態に係る原子発振器のレジスト膜のその他の形態を示す断面図。
【図１３】第２実施形態に係る電子機器の一例としてＧＰＳ衛星を利用した測位システムの概略構成を示す図。
【図１４】第３実施形態に係る電子機器の一例としてのクロック伝送システムを示す概略構成図。
【図１５】第４実施形態に係る移動体の一例としての自動車の構成を示す斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照して、本発明に係る実施形態を説明する。
【００２０】
（第１実施形態）
図１は第１実施形態に係る量子干渉効果を利用した原子発振器を示す平面外観図である。図１に示す原子発振器１０００は、基台３００の載置面３００ａ（以下、基台面３００ａという）に、後述する金属原子が収容されたガスセルを含む量子干渉装置としてのセルユニット１００と、セルユニット１００を制御する制御部を構成する回路基板としての回路ユニット２００と、が配置されている。
【００２１】
図２および図３は、第１実施形態に係る量子干渉効果を利用した原子発振器１０００に備えるセルユニット１００の概略を示し、図２は図１に示すＡ−Ａ´部の断面図、図３は図２に示すＢ−Ｂ´部の断面図である。
【００２２】
図１および図２に示すセルユニット１００は、ガスセルユニット１０と、光射出部２０と、ガスセルユニット１０を収納し、本実施形態に係る原子発振器１０００では磁気遮蔽性を有する第１収容体としての第１磁気遮蔽体４０と、を備えている。ガスセルユニット１０は、ガスセル１１と、ガスセル１１を保持し、後述するヒーターに発生させる熱をガスセル１１に伝導させるガスセル保持部材１２と、ガスセル保持部材１２のＸ軸方向に沿った外周面に巻き付けられるコイル１３と、を備えている。
【００２３】
ガスセル１１は、柱状の貫通孔を有する本体部１１ａと、その貫通孔の両側の開口を１対の窓部１１ｂ，１１ｃによって封鎖することにより、金属原子が封入される収容部としての内部空間Ｓが形成される。ガスセル１１の内部空間Ｓ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。
【００２４】
光射出部２０は、基体部２１ａと、基体部２１ａを内部に収容固着する本体枠部２１ｂと、励起光を透過する、イメージセンサーのカバーガラスに用いられる高品位ガラス（例えば「ＡＢＣガラス：日本電気硝子製」など）により形成される光透過部２１ｄを備える金属製の蓋部２１ｃと、により構成される光源収容体２１と、光源収容体２１に収容された光源２２と、光源２２を加熱する加熱素子としてのペルチェ素子２３と、を有する。光源２２は、ガスセル１１中のアルカリ金属原子を励起する励起光を射出する機能を有し、例えば半導体レーザーが用いられる。光源２２は、光源収容体２１の内部に励起光の射出方向（図示矢印の光軸方向Ｒ）に沿ってガスセル１１と対向するように配置され、光源２２から蓋部２１ｃの光透過部２１ｄを透過してガスセル１１に向かって励起光が射出される。
【００２５】
射出された励起光は、ガスセル保持部材１２と、光軸方向Ｒと、が交差する部分に形成された貫通孔１２ａ，１２ｂのうち、光射出部２０側の貫通孔１２ａに配置された光学部品１４，１５を透過する。本実施形態では、光源２２側からガスセル１１側へ、光学部品１４，１５の順に配置されている。光学部品１４は、λ／４波長板である。これにより、光源２２からの励起光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。光学部品１５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１１に入射する励起光の強度を調整（減少）させることができる。そのため、光源２２の出力が大きい場合でも、ガスセル１１に入射する励起光を所望の光量とすることができる。
【００２６】
ガスセル保持部材１２の光軸方向Ｒと並行する外周部１２ｃには、外周部１２ｃに沿ってコイル１３が巻き付けられている。コイル１３は、通電により、磁場を発生させる機能を有する。これにより、ガスセル１１中のアルカリ金属に磁場を印加することにより、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１０００の発振周波数の精度を高めることができる。なお、コイル１３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。また、このコイル１３は、ガスセル１１を囲むように設けられたソレノイドコイルであってもよいし、ガスセル１１を挟むように設けられたヘルムホルツコイルであってもよい。
【００２７】
ガスセル１１を挟んで光射出部２０と光軸方向Ｒに沿って対向する位置に光検出部３０を備えている。光検出部３０は、ガスセル１１内を透過した後述する励起光ＬＬ（共鳴光１、共鳴光２）の強度を検出する機能を有する。本実施形態では、光検出部３０は、接着剤３１を介してガスセル保持部材１２に接合されている。ここで、接着剤３１としては、公知の接着剤を用いることができる。また、この光検出部３０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。
【００２８】
上述したガスセルユニット１０と、光検出部３０と、は第１磁気遮蔽体４０の内部に収容されている。第１磁気遮蔽体４０は、ガスセル基板５０に載置される基部４２と、箱状の第１蓋体４１と、を備え、基部４２に載置される光検出部３０を備えたガスセルユニット１０を覆うように第１蓋体４１を被せて基部４２に合わせることで第１磁気遮蔽体４０を構成する。第１磁気遮蔽体４０は、第１磁気遮蔽体４０の内部に対する外部からの磁気を遮蔽する機能を有し、第１磁気遮蔽体４０に収容されるガスセルユニット１０への外部からの磁気を遮蔽する。
【００２９】
第１蓋体４１のガスセル保持部材１２に形成された貫通孔１２ａに対向する位置、即ち励起光の通過位置には、貫通孔４１ａが設けられている。なお、貫通孔４１ａには、励起光を透過し得る材料であれば、特に限定されないが、例えば透明ガラス、透明石英ガラス、透明水晶などが気密接合されていてもよい。このように、貫通孔４１ａが気密接合されていることで、第１磁気遮蔽体４０内を気密空間とすることが可能となる。なお、図１および図２では、図示を省略しているが、第１磁気遮蔽体４０には、前述した部品以外の部品が収納されていてもよい。
【００３０】
第１蓋体４１および基部４２の構成材料としては、磁気遮蔽効果を有していることがなお好ましく、例えば、鉄（Ｆｅ）、各種Ｆｅ合金（ケイ素鉄、パーマロイ、スーパーマロイ、アモルファス、センダスト）、銅（Ｃｕ）、銅合金などの軟磁性材料がより好ましい。このような材料を第１蓋体４１および基部４２に用いることにより、外部からの磁気（磁場の変化）を第１磁気遮蔽体４０によって遮蔽することができる。これにより、外部からの磁気（磁場の変化）によるガスセル１１内の金属原子への影響を抑制し、原子発振器１０００としての発振特性の安定化を図ることが可能となる。
【００３１】
基部４２には、第１蓋体４１が接合され、第１蓋体４１の開口が基部４２により封鎖される。基部４２と第１蓋体４１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、基部４２と第１蓋体４１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。
【００３２】
また、基部４２と第１蓋体４１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磁気遮蔽体４０内が気密空間であることが好ましい。これにより、第１磁気遮蔽体４０内を減圧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１０００の特性を向上させることができる。特に、第１磁気遮蔽体４０内は、減圧状態であることが好ましい。これにより、第１磁気遮蔽体４０内の空間を介した熱の伝達を抑制することができる。そのため、ヒーターの熱がガスセル保持部材１２を介して効率的に２つの窓部１１ｂ，１１ｃへ伝達され、ガスセル保持部材１２と、第１磁気遮蔽体４０内部との空間ではヒーターの熱伝達が抑制されることにより、２つの窓部１１ｂ，１１ｃ間の温度差を抑制することができる。また、ガスセルユニット１０と第１磁気遮蔽体４０の外部との間の熱の伝達をより効果的に抑制することができる。
【００３３】
図３に示すように、本実施形態に係る原子発振器１０００は、ガスセルユニット１０を加熱する加熱素子としてのヒーター６０を備えている。ヒーター６０は、通電により発熱する発熱抵抗体（発熱部）である。ヒーター６０は、第１磁気遮蔽体４０の外部に配置され、ヒーター６０が発生した熱は、第１磁気遮蔽体４０を介してガスセル１１に伝達される。本実施形態に係る原子発振器１０００では、ヒーター６０は第１磁気遮蔽体４０の第１蓋体４１の外部に高熱伝導率接着剤によって接着固定される形態を例示する。しかしこれに限定されず、ヒーター６０が発生する熱の伝達ロスを少なくする手段であれば、ヒーター６０の配置手段は限定されない。例えば、金属ろうによるろう付け、ねじによる物理的な固定手段であってもよい。
【００３４】
ヒーター６０が発生した熱は、ガスセル１１に伝達され、ガスセル１１を所定の温度に維持し、ガスセル１１中のアルカリ金属をガス状に維持することができる。なお、ヒーター６０に代えて、あるいは、ヒーター６０と併用して、ペルチェ素子を用いてもよい。この場合、ペルチェ素子の発熱側の部分が発熱部を構成する。
【００３５】
また、原子発振器１０００は、図２および図３に示すように、ガスセルユニット１０が内部に収納された第１磁気遮蔽体４０と、光検出部３０と、ヒーター６０と、光射出部２０と、を収納する磁気遮蔽性を有する第２収容体としての第２磁気遮蔽体７０を備えている。第２磁気遮蔽体７０は、底部７２と、第２蓋体７１とを備え、第２蓋体７１の開口がガスセル基板５０により封鎖されている。これにより、第１磁気遮蔽体４０を収納する空間が形成されている。そして、第２蓋体７１が配置されるガスセル基板５０の面の反対面に底部７２が配置され、外部磁気から内部を遮蔽する第２磁気遮蔽体７０が構成される。
【００３６】
第２蓋体７１および底部７２の構成材料としては、磁気遮蔽効果を有していることがより好ましく、例えば、鉄（Ｆｅ）、各種Ｆｅ合金（ケイ素鉄、パーマロイ、スーパーマロイ、アモルファス、センダスト）、銅（Ｃｕ）、銅合金などの軟磁性材料が好ましい。このような材料を、第２蓋体７１および底部７２に用いることにより、外部からの磁気（磁場の変化）を第２磁気遮蔽体７０によって遮蔽することができる。加えて、第２磁気遮蔽体７０と空気層やガスセル基板５０の透磁率の低い層を挟んで第１磁気遮蔽体４０が設けられている二重の磁気遮蔽体となることから、外部からの磁気（磁場の変化）によるガスセル１１内の金属原子への影響を、より大きく抑制することが可能となる。
【００３７】
ガスセル基板５０は、ガスセル基板５０の一面に、前述したように、ガスセルユニット１０を収納した第１磁気遮蔽体４０と、励起光を射出する光源２２を有する光射出部２０と、を覆う第２磁気遮蔽体７０の第２蓋体７１と、が接続されている。また、ガスセル基板５０の一面の裏面には、第２磁気遮蔽体７０を構成する底部７２が接続されている。なお、ガスセル基板５０の構成材料としては、特に限定されないが、例えば、樹脂材料、セラミックス材料等を用いることができる。また、図示しないが、ガスセル基板５０には、外部からガスセルユニット１０、あるいは光射出部２０への通電のための複数の配線および複数の端子が設けられている。
【００３８】
図４は、図１に示す原子発振器１０００の構成を示す概略構成図である。また、図５は、図１，２に示すセルユニット１００のガスセル１１内におけるアルカリ金属のエネルギー状態を説明するための図、図６は、図１，２に示すセルユニット１００の光射出部２０（光源２２）および光検出部３０について、光射出部２０（光源２２）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。
【００３９】
先ず、原子発振器１０００の原理を簡単に説明する。原子発振器１０００では、セルユニット１００に備えるガスセル１１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５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。
【００４０】
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、および共鳴光２を照射すると、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、および共鳴光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、および基底状態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、および共鳴光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（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ  Ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ  Ｔｒａｐｐｉｎｇ）現象、または電磁誘起透明化現象（ＥＩＴ：Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ  Ｉｎｄｕｃｅｄ  Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｃｙ）と呼ぶ。
【００４１】
光源２２は、ガスセル１１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）を射出する。例えば、光源２２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３０の検出強度は、図６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。
【００４２】
本実施形態に係る原子発振器１０００は、図４に示すように、光射出部２０に備える光源２２から、ガスセル１１に向かって励起光ＬＬがガスセル１１への入射光として射出される。励起光ＬＬとして、前述したように、周波数の異なる２種の光（共鳴光１および共鳴光２）が射出される。共鳴光１の周波数ω１は、ガスセル１１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１１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。この光源２２としては、前述したような励起光を射出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。
【００４３】
光射出部２０から射出された励起光ＬＬは、励起光ＬＬの光軸方向Ｒ上のガスセル保持部材１２に形成された貫通孔１２ａに設けられている光学部品１４，１５を透過する。光学部品１４は、上述したようにλ／４波長板であり、光源２２から射出された直線偏光の励起光ＬＬを、円偏光（右偏光あるいは左偏光）に変換することができる。次に、光学部品１５は、減光フィルター（ＮＤフィルター）であり、ガスセル１１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、光源２２の出力が大きい場合でも、ガスセル１１に入射する励起光ＬＬを所望の光量とすることができる。
【００４４】
光学部品１４によって励起光ＬＬが円偏光に変換されることによって、コイル１３の磁場によりガスセル１１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ＬＬがアルカリ金属原子に照射されると、励起光ＬＬ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１０００の発振特性を向上させることができる。
【００４５】
なお、光源２２とガスセル１１との間には、波長板および減光フィルターの他に、レンズ、偏光板等の他の光学部品が配置されていてもよい。また、光源２２からの励起光ＬＬの強度によっては、光学部品１５を省略することができる。
【００４６】
ガスセル１１内を透過した励起光ＬＬ（共鳴光１、共鳴光２）は、光検出部３０により強度が検出される。励起光ＬＬの光検出部３０による検出結果は、図１に示す回路ユニット２００に構成された制御部２１０（図２，３には図示されない）に備える励起光制御部２１１に入力され、光源２２から射出される共鳴光１、共鳴光２の周波数を光検出部３０の検出結果に基づいて制御する。より具体的には、励起光制御部２１１は、前述した光検出部３０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、光源２２から射出される共鳴光１、共鳴光２の周波数を制御する。また、励起光制御部２１１は、光源２２から射出される共鳴光１、共鳴光２の中心周波数を制御する。これにより、前述したようなＥＩＴ信号を検出することができる。そして、制御部２１０は、図示しない水晶発振器の信号をＥＩＴ信号に同期して出力させる。
【００４７】
制御部２１０には、温度制御部２１２、および磁場制御部２１３を備えている。温度制御部２１２には、図２，３には図示されないガスセル１１の温度を検出する温度センサー６１からの計測検出結果に基づいて、ヒーター６０への通電を制御し、ガスセル１１を所望の温度範囲内に維持する。磁場制御部２１３は、コイル１３が発生する磁場が一定となるように、コイル１３への通電を制御する。
【００４８】
図４に示す、制御部２１０に備える励起光制御部２１１から、光射出部２０の光源２２に励起光ＬＬを射出させる高周波信号が、高周波信号伝達経路２１４によって伝達される。高周波信号伝達経路２１４は、その経路の一部に同軸ケーブル８０を備え、後述する回路ユニット２００の基板上に形成された同軸ケーブル８０の一方の端部と励起光制御部２１１と、の間の高周波伝達配線２２０と、光射出部２０の光源２２と同軸ケーブル８０の他方の端部と、の間の光源配線８０ａ，８０ｂと、を含んでいる。
【００４９】
制御部２１０を構成する回路ユニット２００について説明する。制御部２１０に備える励起光制御部２１１、温度制御部２１２、および磁場制御部２１３は、本例では説明の便宜上、例えば半導体装置によって構成され、基板上に配設されて、制御部２１０が構成されるものとして説明する。
【００５０】
図１に示すように、回路ユニット２００には、半導体装置の励起光制御部２１１、温度制御部２１２、および磁場制御部２１３と、が配設されている。また、セルユニット１００に備える光源２２に高周波信号を伝達する同軸ケーブル８０が接続される同軸ケーブルコネクター部２３０（以下、コネクター部２３０という）が配置されている。そして、励起光制御部２１１と、コネクター部２３０と、の間には高周波信号を伝達する高周波伝達配線２２０が形成されている。
【００５１】
図７は、図１に示すＣ−Ｃ´部の断面図、図８は、図１に示すＤ−Ｄ´部の断面図を示す。図７に示すように、回路ユニット２００は、載置される基台３００の基台面３００ａから、基板２４０、保護層としてのレジスト膜２５０、制御部２１０を構成する各制御部２１１，２１２，２１３が積層されている。
【００５２】
レジスト膜２５０には、基板２４０の表面２４０ａに形成された各制御部２１１，２１２，２１３に備える接続電極（図示せず）に電気的に接続される接続パッド２６０ａが露出するように形成されたパッド開口２５０ａが形成されている。そしてパッド開口２５０ａにおいて、各制御部２１１，２１２，２１３の接続電極と、接続パッド２６０ａと、をはんだ２７０によって電気的な接続と、各制御部２１２，２１３，２１４の基板２４０への固定と、が行われる。
【００５３】
また図８に示すように、基板２４０の表面２４０ａには、接続パッド２６０ａ、あるいは図示しない外部接続電極などを接続する接続配線２６０ｂが形成されている。接続配線２６０ｂは、レジスト膜２５０に覆われることで配線保護、あるいは電気的な短絡（ショート）が防止される。
【００５４】
しかし、図１および図８に示すように励起光制御部２１１から同軸ケーブル８０が接続されるコネクター部２３０まで高周波信号を伝達する高周波伝達配線２２０（以下、伝達線２２０という）の配設領域にはレジスト膜２５０の開口部としての高周波伝達配線開口部２５０ｂ（以下、伝達線開口部２５０ｂという）が設けられている。
【００５５】
上述したように伝達線２２０には励起光制御部２１１で生成された高周波信号が伝達され、コネクター部２３０に接続された同軸ケーブル８０を経由してセルユニット１００に備える光源２２に投入される。ここで、伝達線２２０が、他の接続配線２６０ｂと同様にレジスト膜２５０に覆われるように形成さている場合、原子発振器１０００の起動、すなわち電源投入によって、各制御部２１１，２１２，２１３に備える電子素子、あるいは接続配線２６０ｂ、更にはガスセルユニット１０を加熱するヒーター６０の発熱などによって原子発振器１０００は温度上昇を始める。そして、レジスト膜２５０には微量ではあるが水分などの揮発性成分を含んでおり、原子発振器１０００の温度上昇に伴って、含まれる揮発性成分はレジスト膜２５０の外部に蒸散され、レジスト膜２５０の揮発性成分の含有量は徐々に減少する。
【００５６】
その結果、レジスト膜２５０の誘電率が変化し、伝達線２２０を伝達し光源２２に入力される高周波信号のインピーダンスマッチングが経時的に変化する。そのため、高周波信号の入力レベルが変化し、光源２２から出射される励起光量の変化に繋がってしまう。すなわち、励起光量の変化は共鳴周波数の変化を引き起こすため、出力周波数の経時変化に繋がってしまう。
【００５７】
図９は、上述した出力周波数の経時変化を模式的に示すグラフであり、曲線Ｅは従来技術である伝達線２２０がレジスト膜２５０によって覆われる形態の場合の目標周波数（ｆ０）に対する出力周波数ずれの経過時間変化を示し、曲線Ｆは本実施形態に係る伝達線２２０が、レジスト膜２５０に設けた伝達線開口部２５０ｂによって露出している場合の目標周波数（ｆ０）に対する出力周波数ずれの経過時間変化を示す。
【００５８】
図９に示すように、従来の原子発振器を示す曲線Ｅでは起動（電源投入）から目標出力周波数ｆ０に至るまでに日（２４時間）単位の時間経過が必要であったが、本実施形態に係る原子発振器１０００では数時間で目標主力周波数ｆ０に到達することが可能となった。
【００５９】
以上、説明したように、本実施形態に係る原子発振器１０００では、励起光制御部２１１から出力される励起光を制御する高周波信号を伝達する伝達線２２０の領域に、レジスト膜２５０の伝達線開口部２５０ｂを形成することによって、短時間で原子発振器１０００の目標出力周波数ｆ０に到達させることができる。従って、本実施形態に係る原子発振器１０００を備える機器の立ち上り時間の短縮が可能となり、作業性を向上させることができる。
【００６０】
図１０は、上述した伝達線２２０領域におけるレジスト膜２５０のその他の形態を示す断面図である。図１０に示すように、レジスト膜２５１における伝達線２２０の配設領域では、伝達線開口部２５１ｂと、離間部２５１ｃ，２５１ｄと、が形成されている。すなわち、伝達線開口部２５１ｂは、伝達線２２０の幅と同じ開口幅Ｗを有し、伝達線開口部２５１ｂに連続して伝達線２２０の一方の側端と離間させてレジスト膜２５１の開口端部２５１ｅが、伝達線２２０の他方の側端と離間させてレジスト膜２５１の開口端部２５１ｆが形成されている。
【００６１】
このように伝達線２２０をレジスト膜２５１から露出させることにより、伝達線２２０を伝達する高周波信号に対するレジスト膜２５１の揮発成分の蒸散による経時変化の影響を更に軽減させることができる。なお、本例において、ｄ１およびｄ２のいずれか、もしくは両方が０であってもよい。すなわち、伝達線２２０の幅と同じ開口幅Ｗである伝達線開口部２５１ｂを少なくとも有していればよい。
【００６２】
図１１および図１２は、伝達線２２０のその他の形態を示す断面図であり、図１０に示すレジスト膜２５１、すなわち伝達線開口部２５１ｂと、離間部２５１ｃ，２５１ｄと、が形成された形態を示す。
【００６３】
図１１に示すように、基板２４１に形成される伝達線２２１は、導電性配線２２１ａと、導電性配線２２１ａを覆う電気絶縁層としての絶縁層２２１ｂと、により形成されている。絶縁層２２１ｂは、金属酸化物、例えば酸化ケイ素（ＳｉＯ2）などから形成される。このように構成することにより、レジスト膜２５１から露出した伝達線２２１の、導電性配線２２１ａを保護し、且つ電気的な短絡（ショート）を防止することができる。なお、絶縁層２２１ｂは接続配線２６０ｂの表面に形成されていてもよい。
【００６４】
金属酸化物などから形成される絶縁層２２１ｂは、きわめて低い吸水率であることから、誘電率の変化を起こさず、出力周波数の経時変化を起こしにくい。従って、短時間で安定した出力周波数を得ることができる。
【００６５】
図１２に示す基板２４２に形成された伝達線２２２は、基板面２４２ａ上に形成された、例えば銅、アルミなどで形成された基板伝達線２２２ａの基板面２４２ａ側の反対面２２２ｃ（以下、基板伝達線上面２２２ｃという）に伝達線上層２２２ｂとして金（Ａｕ）が積層されている。
【００６６】
基板伝達線上面２２２ｃに金の伝達線上層２２２ｂを最上層として積層されることにより、下層の例えば銅配線の腐食を防止する。更には、吸水による誘電率の変化を生じない保護層を形成することができる。また、高周波伝達配線における高周波伝達ロスを抑制することができる。なお、接続配線２６０ｂにも金の上層が積層されていてもよい。また、基板伝達線２２２ａは、複数の配線層が積層された形態であってもよく、伝達線上層２２２ｂを金とした場合には、伝達線上層２２２ｂの下層にニッケル層を配置することで、伝達線２２２の密着性を向上させることができる。
【００６７】
（第２実施形態）
第２実施形態として、第１実施形態に係る原子発振器１０００を備える電子機器の一例としてＧＰＳ衛星を利用した測位システムを説明する。図１３は、ＧＰＳ衛星を利用した測位システムに第１実施形態に係る原子発振器１０００を用いた場合の概略構成を示す図である。
【００６８】
図１３に示す測位システム２０００は、ＧＰＳ衛星２１００と、基地局装置２２００と、ＧＰＳ受信装置２３００とで構成されている。ＧＰＳ衛星２１００は、測位情報（ＧＰＳ信号）を送信する。基地局装置２２００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１２０１を介してＧＰＳ衛星１１００からの測位情報を高精度に受信する受信装置２２０２と、この受信装置２２０２で受信した測位情報を、アンテナ２２０３を介して送信する送信装置２２０４とを備える。
【００６９】
ここで、受信装置２２０２は、その基準周波数発振源として前述した本発明に係る第１実施形態の原子発振器１０００を備える電子装置である。このような受信装置２２０２は、優れた信頼性を有する。また、受信装置２２０２で受信された測位情報は、リアルタイムで送信装置２２０４により送信される。ＧＰＳ受信装置２３００は、ＧＰＳ衛星２１００からの測位情報を、アンテナ２３０１を介して受信する衛星受信部２３０２と、基地局装置２２００からの測位情報を、アンテナ２３０３を介して受信する基地局受信部２３０４とを備える。
【００７０】
（第３実施形態）
第３実施形態として、第１実施形態に係る原子発振器１０００を備える電子機器の一例としてクロック伝送システムを説明する。図１４は、クロック伝送システムに第１実施形態に係る原子発振器１０００を用いた場合の概略構成を示す図である。
【００７１】
図１４に示すクロック伝送システム３０００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。
【００７２】
このクロック伝送システム３０００は、Ａ局（上位（Ｎ系））のクロック供給装置（ＣＳＭ：Ｃｌｏｃｋ  Ｓｕｐｐｌｙ  Ｍｏｄｕｌｅ）３００１およびＳＤＨ（Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｈｉｅｒａｒｃｈｙ）装置３００２と、Ｂ局（上位（Ｅ系））のクロック供給装置３００３およびＳＤＨ装置３００４と、Ｃ局（下位）のクロック供給装置３００５およびＳＤＨ装置３００６，３００７とを備える。クロック供給装置３００１は、原子発振器１０００を有し、Ｎ系のクロック信号を生成する。このクロック供給装置３００１内の原子発振器１０００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３００８，３００９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。
【００７３】
ＳＤＨ装置３００２は、クロック供給装置３００１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３００５に伝送する。クロック供給装置３００３は、原子発振器１０００を有し、Ｅ系のクロック信号を生成する。このクロック供給装置３００３内の原子発振器１０００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３００８，３００９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。
【００７４】
ＳＤＨ装置３００４は、クロック供給装置３００３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３００５に伝送する。クロック供給装置３００５は、クロック供給装置３００１，３００３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。
【００７５】
ここで、クロック供給装置３００５は、通常、クロック供給装置３００１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３００５は、クロック供給装置３００３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３００６は、クロック供給装置３００５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３００７は、クロック供給装置３００５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。
【００７６】
（第４実施形態）
第４実施形態として、第１実施形態に係る原子発振器１０００を備える移動体の一例として自動車を例に説明する。図１５は、移動体としての自動車に第１実施形態に係る原子発振器１０００を用いた場合の概略構成を示す斜視図である。
【００７７】
図１５に示す移動体としての自動車４０００は、車体４００１と、４つの車輪４００２とを有しており、車体４００１に設けられた図示しない動力源によって車輪４００２を回転させるように構成されている。このような自動車４０００には、原子発振器１０００が内蔵されている。そして、原子発振器１０００からの発振信号に基づいて、例えば、図示しない制御部が動力源の駆動を制御する。
【００７８】
なお、本発明の原子発振器を組み込む電子機器または移動体は、前述したものに限定されず、例えば、携帯電話機、デジタルスチールカメラ、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。
【００７９】
以上、本発明の原子発振器について、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く、例えば、前述した実施形態の各部の構成は、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。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。
【符号の説明】
【００８０】
１００…セルユニット、２００…回路基板、２１０…制御部、３００…基台、１０００…原子発振器。
【図１】
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【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】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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