(57)【要約】【課題】小型化、低背化を図るとともに、ガスセル内の温度変化による発振特性の不安定化を抑制し、安定した発振特性を持続可能な原子発振器を提供することを目的とする。【解決手段】少なくとも、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、前記ガスセルと前記コイルとを収容する第１磁気遮蔽体と、を備える原子発振器であって、前記ガスセルを加熱するヒーターと、前記ガスセルの温度を検出する第１の温度センサーと、前記第１磁気遮蔽体と、を収容する第２磁気遮蔽体と、前記第２磁気遮蔽体の外側に温度調節手段と、第２の温度センサーと、が配設されている原子発振器。【選択図】図３
2017092796.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、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、前記ガスセルと前記コイルとを収容する第１磁気遮蔽体と、を備える原子発振
器であって、
前記ガスセルを加熱するヒーターと、前記ガスセルの温度を検出する第１の温度センサ
ーと、前記第１磁気遮蔽体と、を収容する第２磁気遮蔽体と、
前記第２磁気遮蔽体の外側に温度調節手段と、第２の温度センサーと、が配設されてい
る、
ことを特徴とする原子発振器。
【請求項２】
前記第１の温度センサーの検出温度によって前記ヒーターの動作を制御する第１の温度
制御手段と、
前記第２の温度センサーの検出温度によって前記温度調節手段の動作を制御する第２の
温度制御手段と、を備えている、
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】
前記温度調節手段と、前記第２の温度制御手段と、の間に前記温度調節手段への電力を
制御する電力制御手段を備えている、
ことを特徴とする請求項２に記載の原子発振器。
【請求項４】
前記温度調節手段がペルチェ素子であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一
項に記載の原子発振器。
【請求項５】
少なくとも、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、前記ガスセルと前記コイルとを収容する第１磁気遮蔽体と、を備え、
前記ガスセルを加熱するヒーターと、前記ガスセルの温度を検出する第１の温度センサ
ーと、前記第１磁気遮蔽体と、を収容する第２磁気遮蔽体と、
前記第２磁気遮蔽体の外側に温度調節手段と、第２の温度センサーと、が配設され、
前記第１の温度センサーの検出温度によって前記ヒーターの動作を制御する第１の温度
制御手段と、
前記第２に温度センサーの検出温度によって前記温度調節手段の動作を制御する第２の
温度制御手段と、を備え、
前記第１の温度制御手段は、前記ガスセルを第１の温度で保持されるように前記ヒータ
ーを制御し、
前記第２の温度制御手段は、前記第１磁気遮蔽体が第２の温度で保持されるように前記
温度調節手段を制御する、
ことを特徴とする原子発振器の温度制御方法。
【請求項６】
前記第２の温度が、前記第１の温度より低いことを特徴とする請求項５に記載の原子発
振器の温度制御方法。
【請求項７】
少なくとも、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、前記ガスセルと前記コイルとを収容する第１磁気遮蔽体と、を備え、
前記ガスセルを加熱するヒーターと、前記ガスセルの温度を検出する第１の温度センサ
ーと、前記第１磁気遮蔽体と、を収容する第２磁気遮蔽体と、
前記第２磁気遮蔽体の外側に温度調節手段と、第２の温度センサーと、が配設され、
前記第１の温度センサーの検出温度によって前記ヒーターの動作を制御する第１の温度
制御手段と、
前記第２の温度センサーの検出温度によって前記温度調節手段の動作を制御する第２の
温度制御手段と電力制御手段と、を備え、
前記第１の温度制御手段は、前記ガスセルを第１の温度で保持されるように前記ヒータ
ーを制御し、
前記第２の温度制御手段は、前記第１磁気遮蔽体が第２の温度に保持されるように前記
温度調節手段が動作するように制御され、
前記電力制御手段は、前記第１磁気遮蔽体が第３の温度に保持されるように前記温度調
節手段へ出力される電力量を制御する、
ことを特徴とする原子発振器の温度制御方法。
【請求項８】
前記第１の温度をＴ１、前記第２の温度をＴ２、前記第３の温度をＴ３、とした場合、
Ｔ１＞Ｔ３＞Ｔ２
である、
ことを特徴とする請求項７に記載の原子発振器の温度制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子発振器および原子発振器の温度制御方法に関する。
【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おり、さらな
る小型化、低背化が望まれている。
【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】
しかしながら、原子発振器には小型化、低背化を図るとともに、広範囲の温度対応が求
められているが、従来の原子発振器では、高温環境下でガスセルの発振特性が不安定にな
ってしまうなどの不具合を生じる虞が大きくなってしまう。
【０００７】
本発明の目的は、小型化、低背化を図るとともに、ガスセル内の温度変化による発振特
性の不安定化を抑制し、安定した発振特性を持続可能な原子発振器を提供することにある
。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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。
【０００９】
〔適用例１〕本適用例の原子発振器は、少なくとも、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、前記ガスセルと前記コイルとを収容す
る第１磁気遮蔽体と、を備える原子発振器であって、前記ガスセルを加熱するヒーターと
、前記ガスセルの温度を検出する第１の温度センサーと、前記第１磁気遮蔽体と、を収容
する第２磁気遮蔽体と、前記第２磁気遮蔽体の外側に温度調節手段と、第２の温度センサ
ーと、が配設されていることを特徴とする。
【００１０】
ガスセル内のアルカリ金属をガス状に維持させるために、ガスセルはヒーターにより加
熱制御されている。しかし、ガスセルを含む原子発振器が設置されている外部環境、特に
温度環境は、ガスセル内の温度を変化させる要因となっている。例えば、原子発振器を起
動させた時点では、ガスセルは所望の温度に対して低温であることが多く、その場合、正
常に動作させるための温度までヒーターの加熱だけで昇温させることでは、所定温度まで
の所要時間、すなわち原子発振器の動作が安定するまでの、いわゆる立ち上げ時間が長く
なってしまう虞があった。
【００１１】
あるいは、ガスセル内の所定温度に対して外部温度が高温である場合には、仮にヒータ
ーの稼働を停止しても、外部からの熱移動により所定の温度でガスセル内を維持すること
が困難となる。そこで、本適用例の原子発振器によれば、ヒーターの加熱と、温度調節手
段の吸熱もしくは加熱と、の動作を制御することによってガスセルの温度を所望の温度で
の管理をより正確に行うことができる。例えば、原子発振器の起動時には、ヒーターを動
作させ、同時に温度調節手段を加熱手段として動作させることで、ガスセルの温度上昇を
短時間に行うことができる。あるいは、原子発振器の周囲環境がガスセルの所望の温度よ
り高温環境であった場合、温度調節手段を冷却手段として動作させることにより、ガスセ
ルの温度を短時間に冷却することができる。従って、外部温度環境の変化に対して、安定
した精度を有する原子発振器を得ることができる。
【００１２】
〔適用例２〕上述の適用例において、前記第１の温度センサーの検出温度によって前記
ヒーターの動作を制御する第１の温度制御手段と、前記第２の温度センサーの検出温度に
よって前記温度調節手段の動作を制御する第２の温度制御手段と、を備えていることを特
徴とする。
【００１３】
上述の適用例によれば、第２の温度センサーによって得られる外部温度検出結果によっ
て、第２の温度制御手段は最適な温度調節手段の動作制御電流を送出することができる。
更に、第１の温度センサーはガスセル温度を検出し、そのデータを基に第１の温度制御手
段によってヒーターへの動作電流を制御し、ガスセルの所望の管理温度を維持することが
できる。従って、外部温度環境の変化に対して、安定した精度を有する原子発振器を得る
ことができる。
【００１４】
〔適用例３〕上述の適用例において、前記温度調節手段と、前記第２の温度制御手段と
の間に、前記温度調節手段への電力を制御する電力制御手段を備えていることを特徴とす
る。
【００１５】
上述の適用例によれば、第２の温度制御手段は、常態として温度調節手段を冷却手段と
して動作させる制御動作を行わせることができる。そして、外部温度環境により、電力制
御手段が第２の温度制御手段から温度調節手段への供給電力量を遮断、あるいは調整し、
第２磁気遮蔽体に収容されたガスセルを所定の温度環境に置くことができる。
【００１６】
〔適用例４〕上述の適用例において、前記温度調節手段がペルチェ素子であることを特
徴とする。
【００１７】
上述の適用例によれば、第２の温度制御手段からの出力電流の印加方向を切り替えるこ
とで、容易に加熱素子、あるいは冷却素子として機能させることができる。
【００１８】
〔適用例５〕本適用例の原子発振器の温度制御方法は、少なくとも、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、前記ガスセルと前記コ
イルとを収容する第１磁気遮蔽体と、を備え、前記ガスセルを加熱するヒーターと、前記
ガスセルの温度を検出する第１の温度センサーと、前記第１磁気遮蔽体と、を収容する第
２磁気遮蔽体と、前記第２磁気遮蔽体の外側に温度調節手段と、第２の温度センサーと、
が配設され、前記第１の温度センサーの検出温度によって前記ヒーターの動作を制御する
第１の温度制御手段と、前記第２に温度センサーの検出温度によって前記温度調節手段の
動作を制御する第２の温度制御手段と、を備え、前記第１の温度制御手段は、前記ガスセ
ルを第１の温度で保持されるように前記ヒーターを制御し、前記第２の温度制御手段は、
前記第１磁気遮蔽体が第２の温度で保持されるように前記温度調節手段を制御することを
特徴とする。
【００１９】
ガスセル内のアルカリ金属をガス状に維持させるために、ガスセルはヒーターにより加
熱制御されている。しかし、ガスセルを含む原子発振器が設置されている外部環境、特に
温度環境は、ガスセル内の温度を変化させる要因となっている。例えば、原子発振器を起
動させた時点では、ガスセルは所望の温度に対して低温であることが多く、その場合、正
常に動作させるための温度までヒーターの加熱だけで昇温させることでは、所定温度まで
の所要時間、すなわち原子発振器の動作が安定するまでの、いわゆる立ち上げ時間が長く
なってしまう虞があった。
【００２０】
あるいは、ガスセル内の所定温度に対して外部温度が高温である場合には、仮にヒータ
ーの稼働を停止しても、外部からの熱移動により所定の温度でガスセル内を維持すること
が困難となる。
【００２１】
そこで、本適用例の原子発振器の温度制御方法によれば、ヒーターの加熱と、温度調節
手段の吸熱もしくは加熱と、の動作を制御することによってガスセルの温度を所望の温度
での管理をより正確に行うことができる。例えば、原子発振器の起動時には、ヒーターを
動作させ、同時に温度調節手段を加熱手段として動作させることで、ガスセルの温度上昇
を短時間に行うことができる。あるいは、原子発振器の周囲環境がガスセルの所望の温度
より高温環境であった場合、温度調節手段を冷却手段として動作させることにより、ガス
セルの温度を短時間に冷却することができる。従って、外部温度環境の変化に対して、高
い精度を要求される原子発振器を安定して制御することができる。
【００２２】
〔適用例６〕上述の適用例において、前記第２の温度が、前記第１の温度より低いこと
を特徴とする。
【００２３】
上述の適用例によれば、ガスセルの管理温度である第１の温度に対して、第２磁気遮蔽
体の管理温度である第２の温度を低くすることにより、ガスセルが収容されている第１磁
気遮蔽体を更に収容している第２磁気遮蔽体の内部温度はガスセルの管理温度より低いこ
とで、ガスセルの温度管理をヒーターの温度制御で安定して行うことができる。従って、
高い精度を要求される原子発振器を安定して制御することができる。
【００２４】
〔適用例７〕本適用例の原子発振器の温度制御方法は、少なくとも、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、前記ガスセルと前記コ
イルとを収容する第１磁気遮蔽体と、を備え、前記ガスセルを加熱するヒーターと、前記
ガスセルの温度を検出する第１の温度センサーと、前記第１磁気遮蔽体と、を収容する第
２磁気遮蔽体と、前記第２磁気遮蔽体の外側に温度調節手段と、第２の温度センサーと、
が配設され、前記第１の温度センサーの検出温度によって前記ヒーターの動作を制御する
第１の温度制御手段と、前記第２の温度センサーの検出温度によって前記温度調節手段の
動作を制御する第２の温度制御手段と電力制御手段と、を備え、前記第１の温度制御手段
は、前記ガスセルを第１の温度で保持されるように前記ヒーターを制御し、前記第２の温
度制御手段は、前記第１磁気遮蔽体が第２の温度に保持されるように前記温度調節手段が
動作するように制御され、前記電力制御手段は、前記第１磁気遮蔽体が第３の温度に保持
されるように、前記温度調節手段へ出力される電力量を制御することを特徴とする。
【００２５】
本適用例の原子発振器の温度制御方法によれば、第２の温度制御手段は、常態として温
度調節手段を冷却素子として動作させる制御動作を行わせることができる。そして、外部
温度環境により、電力制御手段が第２の温度制御手段から温度調節手段への供給電力量を
遮断、あるいは調整し、第２磁気遮蔽体に収容されたガスセルを所定の温度環境に置くこ
とができ、高い精度を要求される原子発振器を安定して制御することができる。
【００２６】
〔適用例８〕上述の適用例において、前記第１の温度をＴ１、前記第２の温度をＴ２、
前記第３の温度をＴ３、とした場合、
Ｔ１＞Ｔ３＞Ｔ２
であることを特徴とする。
【００２７】
上述の適用例によれば、第２の温度制御手段から送出される温度調節手段の制御電流は
、温度調節手段を常態として冷却手段として動作させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】第１実施形態に係る原子発振器の概略を示す正断面図。
【図２】第１実施形態に係る原子発振器の概略を示し、図１に示すＡ−Ａ´部の断面図。
【図３】図１および図２に示す原子発振器の概略構成図。
【図４】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５】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６】従来技術におけるガスセルの温度制御を示す制御管理図とヒーター電流制御図。
【図７】第２実施形態として、第１実施形態に係る原子発振器の温度制御方法を示すガスセルの温度制御管理図、ヒーター電流制御図、およびペルチェ素子（温度調節手段）の電流制御図。
【図８】第３実施形態に係る原子発振器の概略構成図。
【図９】第４実施形態として、第３実施形態に係る原子発振器の温度制御方法を示すガスセルの温度制御管理図、ヒーター電流制御図、電力制御部の電流制御図、およびペルチェ素子（温度調節手段）の電流制御図。
【図１０】第５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１１】第６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１２】第７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】
【００２９】
以下、図面を参照して、本発明に係る実施形態を説明する。
【００３０】
（第１実施形態）
図１および図２は、第１実施形態に係る原子発振器の概略を示し、図１は正断面図、図
２は図１に示すＡ−Ａ´部の断面図である。
【００３１】
図１および図２に示す原子発振器１００は、量子干渉効果を利用した原子発振器である
。原子発振器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１
０を収納し、本実施形態に係る原子発振器１００では磁気遮蔽性を有する第１磁気遮蔽体
４０と、を備えている。
【００３２】
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。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１
１ｂ，１１ｃによって封鎖することにより、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。
【００３３】
光射出部２０は、柱状の貫通孔を有する本体部２１ａと、その貫通孔の両側の開口を封
鎖する１対の蓋部２１ｂ，２１ｃと、により構成される光源収容体２１と、光源収容体２
１に収容、固定された光源２２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する。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、本体部２１ａの励起光の射出方向と交差する領域に貫通孔２１ｄが設けられており、
この貫通孔２１ｄを通って光源２２からガスセル１１に向かって励起光が射出される。
【００３４】
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。
【００３５】
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１００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。
【００３６】
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。
【００３７】
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、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。
【００３８】
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。また、図示しないが、基板５０には、第１磁気遮蔽体４０の
外部からガスセルユニット１０への通電のための複数の配線などが設けられている。
【００３９】
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
１００としての発振特性の安定化を図ることが可能となる。
【００４０】
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
う付け、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。
【００４１】
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４
０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１０
０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、ガスセル保持部材１２と第１磁気遮蔽体４０の外部との間や、第
１磁気遮蔽体４０内の空間を介した、後述するヒーターとガスセル１１との間の熱干渉を
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へ伝達し、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。
【００４２】
図２に示すように、本実施形態に係る原子発振器１００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
。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。
【００４３】
本実施形態に係る原子発振器１００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。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。
【００４４】
ヒーター６０から伝達された熱によって、第１磁気遮蔽体４０の内部温度、すなわちガ
スセル１１の周囲温度は、ガスセル１１の維持されるべき所定の温度を管理温度目標値と
して、管理目標温度となるようにヒーター６０の作動が制御される。この時、ガスセル１
１、すなわち第１磁気遮蔽体４０内部温度を検出する第１の温度センサー６１（以下、第
１センサー６１という）が第１磁気遮蔽体４０の外側に備えられている。
【００４５】
第１センサー６１では、第１磁気遮蔽体４０の外面温度が検出されることとなるが、予
めガスセル１１の周囲温度、すなわち第１磁気遮蔽体４０の内部温度と、第１磁気遮蔽体
４０の外面温度と、の関係を求めておくことで、後述する温度制御部では第１センサー６
１で検出された第１磁気遮蔽体４０の外面温度を、第１磁気遮蔽体４０の内部温度に換算
してガスセル１１の検出温度データとして用いることができる。
【００４６】
また、原子発振器１００は、図１および図２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および第１センサ
ー６１と、光射出部２０と、を収納する磁気遮蔽性を有する第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。
【００４７】
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。
【００４８】
図１に示すように、第２磁気遮蔽体７０における第２蓋体７１の上外面７１ａに温度調
節手段としてのペルチェ素子８０が配置されている。周知の通り、ペルチェ素子８０は、
印加する電流の向きによって第２蓋体７１の上外面７１ａに接続される一方の面８０ａ（
以下、接続面８０ａという）と、他方の面８０ｂ（以下、解放面８０ｂという）と、の間
の熱の移動が制御される素子である。
【００４９】
例えば、接続面８０ａから解放面８０ｂに向けて熱移動をさせる方向の電流を印加させ
ることで、接続面８０ａは冷却面（低温面）、解放面８０ｂは加熱面（高温面）となる。
これとは逆方向の電流を印加させることで、接続面８０ａを加熱面（高温面）、解放面８
０ｂを冷却面（低温面）にさせることもできる。従って、後述する図示されない制御部に
よって、ペルチェ素子８０に印加する電流を制御することにより、第２磁気遮蔽体７０を
冷却もしくは加熱することができ、第２磁気遮蔽体７０の第２蓋体７１の内部空間７１ｂ
を冷却もしくは加熱することができる。言い換えると、ペルチェ素子８０に印加される電
流を制御することにより、第２磁気遮蔽体７０に収容される第１磁気遮蔽体４０を介して
ガスセルユニット１０の冷却もしくは加熱を可能とするものである。
【００５０】
基板５０は、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、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、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、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。
【００５１】
図３は、図１，２に示す原子発振器１００の基本構成を示す概略構成図である。また、
図４は、図１，２に示す原子発振器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５は、図１，２に示す原子発振器１００の光射出部２
０（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。
【００５２】
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。
【００５３】
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５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。
【００５４】
本実施形態に係る原子発振器１００は、図３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。
【００５５】
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Ｌ
Ｌ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。
【００５６】
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１００の発振特性を向上させ
ることができる。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。
【００５７】
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、制御部９０（図１，２
には図示されない）に備える励起光制御部９１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９１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９１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９０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。
【００５８】
更に制御部９０には、ガスセル１１を所定の温度に加熱するヒーター６０を制御する第
１の温度制御手段としての第１温度制御部９２と、第２磁気遮蔽体７０に配置されたペル
チェ素子８０の動作を制御する第２の温度制御手段としての第２温度制御部９３と、磁場
制御部９４と、を備えている。第１温度制御部９２には、図２に示すように第１磁気遮蔽
体４０を介してガスセル１１の温度を検出する第１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へ供給する熱量が制御される。ま
た、第２温度制御部９３には、図１に示すように第２磁気遮蔽体７０の温度、すなわち第
２蓋体７１の内部空間７１ｂを検出する第２の温度センサー８１（以下、第２センサー８
１という）からの計測検出結果に基づいて、ペルチェ素子８０に印加する電流を制御し、
ペルチェ素子８０の接続面８０ａを冷却面あるいは加熱面への切り替え、更には接続面８
０ａでの吸熱量あるいは放熱量が制御される。そして、ヒーター６０の加熱と、ペルチェ
素子８０の吸熱もしくは加熱と、によってガスセル１１を所望の温度環境に維持させるこ
とができる。
【００５９】
上述したようにガスセル１１内のアルカリ金属をガス状に維持させるために、ガスセル
１１はヒーター６０により加熱制御されている。しかし、ガスセル１１を含む原子発振器
１００が設置されている外部環境、特に温度環境は、ガスセル１１内の温度を変化させる
要因となっている。例えば、原子発振器１００を起動させた時点では、ガスセル１１は所
望の温度に対して低温であることが多く、その場合、正常に動作させるための温度までヒ
ーター６０の加熱だけで昇温させることでは、所定温度までの所要時間、すなわち原子発
振器１００の動作が安定するまでの、いわゆる立ち上げ時間が長くなってしまう虞があっ
た。
【００６０】
あるいは、ガスセル１１内の所定温度に対して外部温度が高温である場合には、仮にヒ
ーター６０の稼働を停止しても、外部からの熱移動により所定の温度でガスセル１１内を
維持することが困難となる。また、ヒーター６０によってガスセル１１を加熱する場合、
ガスセル１１が所定温度に達するまで、あるいはその直前までヒーター６０に通電し、ガ
スセル１１が所望の温度に達した時点で通電を遮断する動作をさせるが、上昇し始めたガ
スセル１１の温度は電力の遮断と同時に所望の温度で維持されるわけではなく、ガスセル
１１の所望温度を超えて上昇し、その後下降する、いわゆるオーバーシュートを起こすこ
ともあり得る。
【００６１】
そこで、ヒーター６０の加熱と、ペルチェ素子８０の吸熱もしくは加熱と、の動作を制
御することによってガスセル１１の温度を所望の温度での管理をより正確に行うことがで
きる。例えば、原子発振器１００の起動時には、ヒーター６０を動作させ、同時にペルチ
ェ素子８０の接続面８０ａを加熱面として動作させることで、ガスセル１１の温度上昇を
短時間に行うことができる。あるいは、ヒーター６０によるガスセル１１への加熱がオー
バーシュートした場合や、原子発振器１００の周囲環境がガスセル１１の所望の温度より
高温環境であった場合、ペルチェ素子８０の接続面８０ａを冷却面として動作させること
により、ガスセル１１の温度を短時間に冷却することができる。
【００６２】
制御部９０に備える磁場制御部９４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。なお、このような制御部９０は、例えば、原子発振器
１００が実装される実装基板上に実装された電子回路装置（例えば、半導体装置）に設け
られている。なお、制御部９０が第２磁気遮蔽体７０、あるいは第１磁気遮蔽体４０の内
部に設けられていてもよい。
【００６３】
なお、本実施形態に係る原子発振器１００は、第１磁気遮蔽体４０の外側にヒーター６
０、第１センサー６１の各々１個、第２磁気遮蔽体７０の外側にペルチェ素子８０、第２
センサー８１の、各々１個を配置させているが、これに限定されない。原子発振器１００
が設置される環境、あるいは要求される温度管理条件、などから温度センサーの数、配設
位置は適宜、設定すればよい。
【００６４】
（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１００の温度制御方法を説明する
。従来は、従来技術におけるガスセルの温度制御を示す制御管理図とヒーター電流制御図
である図６に示すように、原子発振器への電源投入時（ｓ０）にヒーターに起動時電流が
投入され、ガスセルセンサー検出温度ｔｐ（以下、検出温度ｔｐという）がガスセル制御
温度Ｔｐ（以下、制御温度Ｔｐという）で安定していることを検出するまで、ヒーターへ
の投入電流が増減を繰り返し、検出温度ｔｐが制御温度Ｔｐを安定して検出する時間ｓ１
から、ヒーターへの電流は安定した値となる。
【００６５】
しかし、ガスセルの外部温度ｔｓが、時間ｓ２を経過し、上昇し始めると、ガスセルの
温度、すなわち検出温度ｔｐを制御温度Ｔｐに安定させるようにヒーターへの投入電流は
低減される。しかし、外部温度ｔｓが、
ｔｓ＞Ｔｐ
となる時間ｓ３において、外部温度ｔｓからガスセルに対して熱が供給されることとなり
、ヒーターへの投入電流は遮断される。しかし、外部温度ｔｓからのガスセルへの熱供給
が続き、ガスセルは制御温度Ｔｐを超えた状態で維持されることとなり、高い精度の発振
性能を発揮させることが困難となってしまっていた。
【００６６】
そこで第１実施形態に係る原子発振器１００では、第２実施形態に係る原子発振器１０
０の温度制御方法によって、高い精度の発振性能を得ることができる。
【００６７】
図７は、第２実施形態に係る原子発振器１００の温度制御方法を示すガスセル１１の温
度制御管理図と、ヒーター６０のヒーター電流制御図と、ペルチェ素子８０のペルチェ素
子電流制御図と、を示す。
【００６８】
図７に示すように、時間ｓ０において原子発振器１００が起動される。本例では、この
時、第２磁気遮蔽体７０の外側の領域での外部温度ｔｓは、少なくともガスセル１１の温
度を制御する第１温度制御部９２での制御管理温度である第１の温度Ｔ１、およびペルチ
ェ素子８０の接続面８０ａの温度を制御する第２温度制御部９３での制御管理温度である
第２の温度Ｔ２、に対して、
ｔｓ＜Ｔ１
ｔｓ＜Ｔ２
の状態から起動されることを例示する。
【００６９】
上述したように、第２磁気遮蔽体７０に備えるペルチェ素子８０は、第２磁気遮蔽体７
０の外側の領域での外部温度ｔｓが、第１の温度Ｔ１を超えた高温となり、第２磁気遮蔽
体７０の内部空間７１ｂの温度が上昇して、ガスセル１１が第１の温度Ｔ１を超えないよ
う、第２磁気遮蔽体７０を介して内部空間７１ｂを冷却する機能を有している。従って、
第２の温度Ｔ２は、第１の温度Ｔ１に対して、
Ｔ２＜Ｔ１
となるように設定されることが好ましい。
【００７０】
起動時の時間ｓ０では、
ｔｓ＜Ｔ１
ｔｓ＜Ｔ２
であり、ｔ１＜Ｔ１であることから、ヒーター６０は起動時電流が投入され、ヒーター６
０はガスセル１１を加熱し始める。また、第２のセンサー８１の検出温度ｔ２が第２の温
度Ｔ２となるように、ペルチェ素子８０に接続面加熱電流が供給される。
【００７１】
ガスセル１１は、ヒーター６０による加熱と、ペルチェ素子８０による加熱と、によっ
て昇温され、時間ｓ１２において、ガスセル１１の温度、すなわち第１のセンサー６１の
検出温度ｔ１が第１の温度Ｔ１に収束すると、ヒーター６０には、第１磁気遮蔽体を第１
の温度Ｔ１の温度で維持することに必要な電流（電力）が供給される。
【００７２】
第２のセンサー８１の検出温度ｔ２が第２の温度Ｔ２の温度に収束する時間ｓ１１では
、第２センサー８１が検出する温度ｔ２を第２の温度Ｔ２に維持するに必要な電流（電力
）がペルチェ素子８０に供給される。
【００７３】
本実施形態では、外部温度ｔｓが、時間ｓ１３から上昇し始める状況を例示する。時間
ｓ１３から外部温度ｔｓは上昇し始めることから、第２温度制御部９３は、第２の温度Ｔ
２が維持されるように、外部温度ｔｓの上昇に対応させてペルチェ素子８０の投入電流を
低減させる。そして、外部温度ｔｓが、第２の温度Ｔ２となる時間ｓ１４で、ペルチェ素
子８０の接続面８０ａが冷却面として動作させる冷却動作電流が第２温度制御部９３から
送出される。
【００７４】
外部温度ｔｓが、本例に示すように定温状態となる時間ｓ１５から、ペルチェ素子８０
への送出電流は、第２のセンサー８１の検出温度ｔ２、すなわち第２磁気遮蔽体７０が第
２の温度Ｔ２で維持される冷却動作電流値で維持される。
【００７５】
上述したように、第２実施形態に係る原子発振器１００の温度制御方法では、原子発振
器１００が配置される温度環境が変化しても、ガスセル１１を安定して高い精度で動作さ
せる第１の温度Ｔ１を維持するために、ペルチェ素子８０の接続面８０ａを加熱面、ある
いは冷却面として動作させるよう、第２センサー８１の検出温度が第２の温度Ｔ２を閾値
として、第２温度制御部９３からペルチェ素子８０に対して、接続面８０ａが加熱面もし
くは冷却面として動作させる電流を送出する。そして、ガスセル１１を収容する第１磁気
遮蔽体を更に収容する第２磁気遮蔽体温度を第２の温度Ｔ２に維持させることで、ガスセ
ル１１の安定動作温度である第１の温度Ｔ１を維持させることができる。従って、高い精
度で安定した発振性能を有する原子発振器１００を得ることができる。
【００７６】
（第３実施形態）
図８は第３実施形態に係る原子発振器２００の基本構成を示す概略構成図である。なお
、本実施形態に係る原子発振器２００は、第１実施形態に係る原子発振器１００に対して
、図３で説明した制御部９０の構成が異なるものであり、その他の構成は、図１および図
２で示す構成と同じである。従って、第１実施形態に係る原子発振器１００と同じ構成要
素には同じ符号を付し、説明は省略する。
【００７７】
図８に示すように、制御部２１０には、上述した第１実施形態に係る原子発振器１００
の制御部９０と同じ励起光制御部９１、第１温度制御部９２、そして磁場制御部９４が備
えられている。また、制御部２１０は、第２の温度制御手段としての第２温度制御部２１
１と、第２温度制御部２１１とペルチェ素子８０とを繋ぐ制御経路２００ａの中間部に電
力制御手段としての電力制御部２１２が備えられている。電力制御部２１２は、第２セン
サー８１からの検出温度データによって、第２温度制御部２１１からペルチェ素子８０に
向けて送出される制御信号もしくは動作電力を、少なくともＯＮ／ＯＦＦするスイッチ機
能を有する。
【００７８】
ガスセル１１が、第１センサー６１によって所定の温度となるように加熱されることは
、第１実施形態に係る原子発振器１００と同じであるので、説明は省略する。第３実施形
態に係る原子発振器２００では、第２温度制御部２１１から第２磁気遮蔽体７０に備える
ペルチェ素子８０に送出される制御信号もしくは動作電力を、制御経路２００ａの中間に
備える電力制御部２１２によって、更に制御可能とするものである。
【００７９】
第２温度制御部２１１および電力制御部２１２の機能について、説明する。第１実施形
態に係る原子発振器１００では、第２温度制御部９３は、第２センサー８１からの検出温
度データに基づき、例えば、原子発振器１００の起動時には、ヒーター６０を動作させ、
同時にペルチェ素子８０の接続面８０ａを加熱面として動作させることで、ガスセル１１
の温度上昇を短時間に行うことができる。あるいは、ヒーター６０によるガスセル１１へ
の加熱がオーバーシュートした場合や、原子発振器１００の周囲環境がガスセル１１の所
望の温度より高温環境であった場合、ペルチェ素子８０の接続面８０ａを冷却面として動
作させることにより、ガスセル１１の温度を短時間に冷却することができる。
【００８０】
第１実施形態の場合、ペルチェ素子８０は、周囲環境の温度変化によって接続面８０ａ
が、冷却面と加熱面と、に切り替える動作が実行される。例えば、ペルチェ素子８０の接
続面８０ａが冷却面から加熱面へと切り替えられる場合、ペルチェ素子８０の接続面８０
ａの領域では低温部となっており、ペルチェ素子８０へ印加される電流の向きを変えるこ
とで接続面８０ａが加熱面に切り替わる際に、先ずは低温部であった接続面８０ａの領域
を加熱することが必要となり、第２温度制御部９３からの制御信号送出開始から第２磁気
遮蔽体７０の第２蓋体７１の内部空間７１ｂの温度上昇に至るまで、時間を必要とする、
いわゆるタイムラグを生じる場合がある。
【００８１】
同様に、ペルチェ素子８０の接続面８０ａが加熱面から冷却面へと切り替えられる場合
、ペルチェ素子８０の接続面８０ａの領域では高温部となっており、ペルチェ素子８０へ
印加される電流の向きを変えることで接続面８０ａが冷却面に切り替わる際に、先ずは高
温部であった接続面８０ａの領域を冷却することが必要となり、第２温度制御部９３から
の制御信号送出開始から第２磁気遮蔽体７０の第２蓋体７１の内部空間７１ｂの温度下降
に至るまで、時間を必要とする、いわゆるタイムラグを生じる場合がある。
【００８２】
これに対して、第３実施形態に係る原子発振器２００では、第２温度制御部２１１は、
ペルチェ素子８０に対して接続面８０ａが冷却面として動作させるように制御信号あるい
は制御電流が送出される。ペルチェ素子８０の接続面８０ａが冷却面として機能させるた
めに、第２温度制御部２１１では、ペルチェ素子８０の接続面８０ａが加熱面として動作
させるための第２センサー８１から送られる検出温度データに対する閾値が、想定される
、あるいは設計仕様上の外部温度環境より低温に設定される。
【００８３】
例えば、外部温度環境として−２０℃以上を想定している場合、第２温度制御部２１１
でのペルチェ素子８０の接続面８０ａが冷却面から加熱面へと動作させるため制御信号の
送出条件、いわゆる閾値を、想定温度を超える低温の−２０℃未満、例えば−３０℃に設
定することにより、想定された外部温度環境（例示した−２０℃以上）下でもペルチェ素
子８０の接続面８０ａを冷却面として動作させることができる。
【００８４】
上述したように第２温度制御部２１１の基本動作制御は、ペルチェ素子８０の接続面８
０ａは定常的に冷却面として動作させるようにするものである。しかし、このような第２
温度制御部２１１の制御では、ガスセル１１が収容される第２磁気遮蔽体７０の第２蓋体
７１における内部空間７１ｂの温度は定常的に冷却されることとなる。ガスセル１１は所
定の温度環境下で動作させることが必要であることから、過冷却とならないよう、常にヒ
ーター６０を作動させることとなる。従って、ヒーター６０とペルチェ素子８０と、には
常に電力が供給されることとなり、実質的なエネルギーロスとなってしまう。
【００８５】
そこで、本実施形態に係る原子発振器２００では、第２温度制御部２１１とペルチェ素
子８０とを繋ぐ制御経路２００ａの中間位置に電力制御部２１２が備えられている。電力
制御部２１２には、第２センサー８１の検出温度データが入力され、入力された検出温度
に対応して、次のような制御が行われる。
【００８６】
第２磁気遮蔽体７０の温度、すなわち第２センサー８１の検出温度が、所定の温度を超
えて高い場合、電力制御部２１２内では、制御経路２００ａを繋ぎ、第２温度制御部２１
１からペルチェ素子８０へ、制御信号あるいは動作電流を伝達する。この時、第２センサ
ー８１の検出温度に応じて、動作電流値、すなわち供給電力量が制御され、第２磁気遮蔽
体７０の温度、すなわち第２センサー８１の検出温度と、所定の温度と、の温度差が大き
い場合には大電力、小さい場合には小電力が供給される。
【００８７】
一方、第２磁気遮蔽体７０の温度、すなわち第２センサー８１の検出温度が、所定の温
度より低い場合、電力制御部２１２内では、制御経路２００ａを遮断し、第２温度制御部
２１１からペルチェ素子８０へ、制御信号あるいは動作電流が伝達されなくなる。すなわ
ち、ペルチェ素子８０の冷却面となっている接続面８０ａは、冷却動作が停止される。そ
して、ガスセル１１の温度制御は、第１温度制御部９２によって制御されるヒーター６０
によって行われる。しかし、電力制御部２１２によって制御経路２００ａが遮断されてい
ても、第２温度制御部２１１は、ペルチェ素子８０の接続面８０ａを冷却面として動作さ
せる制御信号もしくは動作電流を送出し続けている。
【００８８】
上述したように、第３実施形態に係る原子発振器２００は、制御経路２００ａの中間に
電力制御部２１２を備えることにより、第２温度制御部２１１は、常態としてペルチェ素
子８０の接続面８０ａを冷却面として動作させる制御動作を行わせることができる。そし
て、外部温度環境が低温、あるいはペルチェ素子８０の冷却動作によって、第２磁気遮蔽
体７０の内部空間７１ｂが過冷却になった場合には、制御経路２００ａの遮断、あるいは
ペルチェ素子８０への供給電力量を調整することにより、第２磁気遮蔽体７０に収容され
たガスセル１１を所定の温度環境に置くことができる。
【００８９】
また、ペルチェ素子８０の接続面８０ａは常態として冷却面として動作させることによ
り、ペルチェ素子８０の接続面８０ａの動作切り替え（冷却面と加熱面との切り替え）を
必要としないことでペルチェ素子８０の動作効率を高めることができる。
【００９０】
（第４実施形態）
第４実施形態として、第３実施形態に係る原子発振器２００の温度制御方法を説明する
。上述したが、第３実施形態に係る原子発振器２００は、図３で説明した第１実施形態に
係る原子発振器１００に対して、制御部９０の構成が異なる制御部２１０を備える点で異
なっている。そして、制御部２１０は、第２温度制御部２１１と、電力制御部２１２と、
が異なるものであり、その他の構成は、図１、図２および図３で示す構成と同じであるの
で、同じ構成要素には同じ符号を付し、説明は省略する。
【００９１】
図９は、第４実施形態に係る原子発振器２００の温度制御方法を示すガスセル１１の温
度制御管理図と、ヒーター６０のヒーター電流制御図と、ペルチェ素子８０へ送出される
電流を制御する電力制御部２１２における電流制御図と、第２温度制御部２１１における
ペルチェ素子８０へ送出する電流制御図と、を示す。
【００９２】
第４実施形態に係る原子発振器２００の温度制御方法は、第２実施形態に係る原子発振
器１００の温度制御方法に対して、ペルチェ素子８０の温度を制御する手段として第２温
度制御部２１１と、電力制御部２１２と、を備え、常時、ペルチェ素子８０の接続面８０
ａが冷却面として動作させる制御電流が送出できる待機状態電流を生成する制御が行われ
る。具体的には、図９の制御管理図に示すように、第２温度制御部２１１がペルチェ素子
８０に送出する制御電流の閾値となる第２の温度Ｔ２が、第２温度制御部２１１における
ペルチェ素子８０の接続面８０ａを冷却面あるいは加熱面への切り替え温度として設定さ
れる。
【００９３】
本実施形態では、第２温度制御部２１１は、ペルチェ素子８０の接続面８０ａが常時冷
却面として動作させるために、第２の温度Ｔ２は、第２センサー８１が検出する第２磁気
遮蔽体７０の管理温度である第３の温度Ｔ３に対して、少なくとも、
Ｔ２＜Ｔ３
の条件を満たすように設定される。更に、原子発振器２００が設置される設計仕様上の環
境条件における最低温度（ｔｓMin）に対して、
Ｔ２＜ｔｓMin
の温度条件を満たすことがより好ましい。
【００９４】
例えば、ｔｓMin＝１５℃、Ｔ３＝５０℃、と条件を与えた場合、Ｔ２＝−２０℃に設
定することで、確実に、
Ｔ２＜Ｔ３
と、
Ｔ２＜ｔｓMin
とが、満足される。このように、上述の第２の温度Ｔ２の設定条件を、
Ｔ２＜＜Ｔ３
となる、第３の温度Ｔ３を大きく下回る温度設定の第２の温度Ｔ２を第２温度制御部２１
１の閾値として適用されることが好ましい。
【００９５】
このように、第３の温度Ｔ３が設定される本実施形態に係る原子発振器２００の温度制
御方法は、次のように行われる。
【００９６】
図９に示すように、本例では、原子発振器２００が起動される時間ｓ０の時、第２磁気
遮蔽体７０の外側の領域での外部温度ｔｓは、少なくともガスセル１１の温度を制御する
第１温度制御部９２での制御管理温度である第１の温度Ｔ１、およびペルチェ素子８０の
接続面８０ａの温度を制御する電力制御部２１２での制御管理温度である第３の温度Ｔ３
、に対して、
ｔｓ＜Ｔ１
ｔｓ＜Ｔ３
の状態から起動されることを例示する。
【００９７】
起動時の時間ｓ０では、
ｔｓ＜Ｔ１
ｔｓ＜Ｔ３
であることから、ヒーター６０は起動時電流が投入され、ヒーター６０はガスセル１１を
加熱し始める。
【００９８】
一方、ペルチェ素子８０は、上述したように、閾値となる第２の温度Ｔ２は外部温度ｔ
ｓより低い温度で設定されているため、Ｔ２＜ｔ２であり、第２温度制御部２１１は、ペ
ルチェ素子８０の接続面８０ａが冷却面となる方向と値を持つ電流が送出可能となるよう
に動作する。しかし、制御経路２００ａの中間に配置された電力制御部２１２では、第２
センサー８１の検出温度ｔ２が第３の温度Ｔ３より低いことから、第２温度制御部２１１
から送出されたペルチェ素子８０の接続面８０ａを冷却面として動作させる動作電流を遮
断する制御が行われ、ペルチェ素子８０には動作電流が供給されないことで、第２温度制
御部２１１では電流供給は待機状態となる。
【００９９】
そして、ガスセル１１は、ヒーター６０による加熱によって昇温され、時間ｓ２１にお
いて、ガスセル１１の温度、すなわち第１のセンサー６１の検出温度ｔ１が第１の温度Ｔ
１の温度に収束すると、ヒーター６０には、第１磁気遮蔽体を第１の温度Ｔ１の温度で維
持することに必要な電流（電力）が供給される。
【０１００】
ガスセル１１がヒーター６０によって加熱されることにより、ガスセル１１を収容する
第２磁気遮蔽体７０の内部空間７１ｂも温度上昇し、第２センサー８１は温度上昇を検出
する。しかし、第２センサー８１の検出温度が電力制御部２１２の管理温度である第３の
温度Ｔ３より低い温度である状態では、電力制御部２１２は、第２温度制御部２１１から
送出されたペルチェ素子８０の接続面８０ａを冷却面として動作させる動作電流を遮断す
る制御が継続され、ペルチェ素子８０には動作電流は供給されない。
【０１０１】
本実施形態では、外部温度ｔｓが、時間ｓ２２から上昇し始める状況を例示する。時間
ｓ２２から外部温度ｔｓは上昇し始めることから、第２センサー８１の温度ｔ２が上昇し
始める。電力制御部２１２は、第２センサー８１の温度ｔ２＜Ｔ３の間は、電力制御部２
１２によって第２温度制御部２１１から送出されたペルチェ素子８０の接続面８０ａを冷
却面として動作させる動作電流を遮断する制御が継続され、ペルチェ素子８０には動作電
流は供給されない。
【０１０２】
外部温度ｔｓが更に上昇し、第３の温度Ｔ３を時間ｓ２３において超え始め、時間ｓ２
４まで外部温度ｔｓは上昇する。そして時間ｓ２４以降は、定温で維持される状態を想定
する。
【０１０３】
外部温度ｔｓが時間ｓ２３において超えると、電力制御部２１２は待機状態であった第２
温度制御部２１１からペルチェ素子８０に、接続面８０ａを冷却する動作電流の供給を開
始する。この時、電力制御部２１２では、第２温度制御部２１１から供給可能な電力量を
、ペルチェ素子８０の接続面８０ａの冷却に必要な電力量を第２センサー８１の検出温度
ｔ２によって制御し、ペルチェ素子８０に制御経路２００ａを介して送出する。
【０１０４】
外部温度ｔｓが更に上昇し定温状態となる時間ｓ２４までの間、電力制御部２１２では
、外部温度ｔｓの上昇、すなわち第２センサー８１の検出温度ｔ２に基づき、ペルチェ素
子８０の接続面８０ａの冷却能力を、第２温度制御部２１１から供給可能な電力量を調整
してペルチェ素子８０に制御経路２００ａを介して送出する制御が行われる。そして、時
間ｓ２４からは、第１磁気遮蔽体の温度ｔ１が第１の温度Ｔ１で維持されるよう、電力制
御部２１２の制御動作によって、ペルチェ素子８０の接続面８０ａを冷却動作するように
、第２温度制御部２１１から供給可能な電力量を調整して、ペルチェ素子８０に所定の電
力量が制御経路２００ａを介して送出される。
【０１０５】
上述の原子発振器２００の温度制御方法では、外部温度ｔｓの温度変化に拘らず、第２
温度制御部２１１では、ペルチェ素子８０の接続面８０ａが冷却面として動作する動作電
流を送出させようとする制御が実行される。そして、制御経路２００ａの中間に備える電
力制御部２１２が、第２温度制御部２１１から送出されるペルチェ素子８０の接続面８０
ａが冷却面として動作する動作電流の制御経路２００ａ中でのペルチェ素子８０への供給
電力量の制御を行う。これにより、第２磁気遮蔽体７０の温度、言い換えれば第２センサ
ー８１の検出温度ｔ２を所定の第３の温度Ｔ３となるように、外部温度ｔｓの変化に対し
てペルチェ素子８０への動作電流の供給が調整される。従って、外部温度環境の変化、特
に高温環境において安定して正確な発振性能を有する原子発振器２００を得ることができ
る。
【０１０６】
（第５実施形態）
第５実施形態として、第１実施形態に係る原子発振器１００あるいは第３実施形態に係
る原子発振器２００のいずれか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１０は、ＧＰＳ衛星を利用した測位システムに本発明に係る原子
発振器を用いた場合の概略構成を示す図である。なお、本実施形態では第１実施形態に係
る原子発振器１００を備える形態を説明する。
【０１０７】
図１０に示す測位システム１０００は、ＧＰＳ衛星１１００と、基地局装置１２００と
、ＧＰＳ受信装置１３００とで構成されている。ＧＰＳ衛星１１００は、測位情報（ＧＰ
Ｓ信号）を送信する。基地局装置１２００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１２０２と、この受信装置１２０２で受信した測位情報を、アンテナ１２０
３を介して送信する送信装置１２０４とを備える。
【０１０８】
ここで、受信装置１２０２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１００を備える電子装置である。このような受信装置１２０２は、
優れた信頼性を有する。また、受信装置１２０２で受信された測位情報は、リアルタイム
で送信装置１２０４により送信される。ＧＰＳ受信装置１３００は、ＧＰＳ衛星１１００
からの測位情報を、アンテナ１３０１を介して受信する衛星受信部１３０２と、基地局装
置１２００からの測位情報を、アンテナ１３０３を介して受信する基地局受信部１３０４
とを備える。
【０１０９】
（第６実施形態）
第６実施形態として、第１実施形態に係る原子発振器１００あるいは第３実施形態に係
る原子発振器２００のいずれか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１１は、クロック伝送システムに本発明に係る原子発振器を用いた場合の概略
構成を示す図である。なお、本実施形態では第１実施形態に係る原子発振器１００を備え
る形態を説明する。
【０１１０】
図１１に示すクロック伝送システム２０００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（Ｅｍｅｒｇ
ｅｎｃｙ）系の冗長構成を有するシステムである。
【０１１１】
このクロック伝送システム２０００は、Ａ局（上位（Ｎ系））のクロック供給装置（Ｃ
ＳＭ：Ｃｌｏｃｋ  Ｓｕｐｐｌｙ  Ｍｏｄｕｌｅ）２００１およびＳＤＨ（Ｓｙｎｃｈｒ
ｏｎｏｕｓ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｈｉｅｒａｒｃｈｙ）装置２００２と、Ｂ局（上位（Ｅ系
））のクロック供給装置２００３およびＳＤＨ装置２００４と、Ｃ局（下位）のクロック
供給装置２００５およびＳＤＨ装置２００６，２００７とを備える。クロック供給装置２
００１は、原子発振器１００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２００１内の原子発振器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２００８，２００９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。
【０１１２】
ＳＤＨ装置２００２は、クロック供給装置２００１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２００５に伝送する。クロック供給装置２００３は、原子発振器１００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２００３内の原子発振器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２００８，２００９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。
【０１１３】
ＳＤＨ装置２００４は、クロック供給装置２００３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２００５に伝送する。クロック供給装置２００５は、クロック供給装置２００１，
２００３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。
【０１１４】
ここで、クロック供給装置２００５は、通常、クロック供給装置２００１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２００５は、クロック供給装置２００３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２００６は、クロック供給装置２００５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２００７は、クロック供給装置２００５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。
【０１１５】
（第７実施形態）
第７実施形態として、第１実施形態に係る原子発振器１００あるいは第３実施形態に係
る原子発振器２００のいずれかを備える移動体の一例として自動車を例に説明する。図１
２移動体としての自動車に本発明に係る原子発振器を用いた場合の概略構成を示す斜視図
である。なお、本実施形態では第１実施形態に係る原子発振器１００を備える形態を説明
する。
【０１１６】
図１２に示す移動体としての自動車３０００は、車体３００１と、４つの車輪３００２
とを有しており、車体３００１に設けられた図示しない動力源によって車輪３００２を回
転させるように構成されている。このような自動車３０００には、原子発振器１００が内
蔵されている。そして、原子発振器１００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。
【０１１７】
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。
【０１１８】
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】
【０１１９】
１１…ガスセル、１３…コイル、１４，１５…光学部品、２０…光射出部、３０…光検
出部、４０…第１磁気遮蔽体、６０…ヒーター、６１…第１センサー、７０…第２磁気遮
蔽体、８０…ペルチェ素子、８１…第２センサー、９０…制御部、９１…励起光制御部、
９２…第１温度制御部、９３…第２温度制御部、９４…磁場制御部、１００…原子発振器
。
【図１】
2017092796.tif 000003
【図２】
2017092796.tif 000004
【図３】
2017092796.tif 000005
【図４】
2017092796.tif 000006
【図５】
2017092796.tif 000007
【図６】
2017092796.tif 000008
【図７】
2017092796.tif 000009
【図８】
2017092796.tif 000010
【図９】
2017092796.tif 000011
【図１０】
2017092796.tif 000012
【図１１】
2017092796.tif 000013
【図１２】
2017092796.tif 000014