(57)【要約】【課題】部品コストの低減と、基板を小型化することができると共に、導体がマイクロ波に与える影響を最小限にして、特性の安定化を図ることができるルビジウム原子発振器を提供する。【解決手段】キャビティ内にはフォトセンサ７があり、フォトセンサ４７の一方の信号線Ｂはコネクタ１５のｂ端子によりキャビティ外の基板２５の表面でグランドに接続され、フォトセンサ７の他方の信号線Ａはコネクタ１５のａ端子に接続されて、インダクタ３１を介してＩ／Ｖ変換用ＩＣ９に入力されると共に、コンデンサ３２を介して同軸端子１４に接続されている。そして、同軸端子１４には測定器３４を接続して、キャビティ内のマイクロ波の強度を測定する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ルビジウム光源から出射される光のマイクロ波周波数に応じた光吸収特性を利用して発振周波数を制御する原子発振器であって、
ルビジウム原子の共鳴周波数付近で共振するキャビティと、前記ルビジウム原子を封入したガスセルと、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及び前記ガスセルを透過した励起光を検出する光検出手段を実装した基板と、を備え、
前記光検出手段からの出力信号ラインの一部又は全部を、前記マイクロ波の強度を測定する受信用アンテナとして機能させるように構成したことを特徴とするルビジウム原子発振器。
【請求項２】
前記出力信号ラインから所定の容量を有する容量素子を介して前記マイクロ波を受信することを特徴とする請求項１に記載のルビジウム原子発振器。
【請求項３】
前記出力信号ラインの長さは、少なくとも前記マイクロ波の１／４波長であることを特徴とする請求項１又は２に記載のルビジウム原子発振器。
【請求項４】
前記出力信号ラインは、前記キャビティの内部に備えられることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の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に関し、さらに詳しくは、マイクロ波共振器内のマイクロ波強度をモニタする受信用アンテナ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。しかし、ルビジウム原子発振器は、マイクロ波を扱うため、マイクロ波共振器内に備える放射用アンテナ、モニタ用の受信アンテナ、及びフォトセンサ等の位置関係により微妙にキャビティの共振周波数がずれることがある。そのため、マイクロ波共振器を組み立てた後に、モニタ用の受信アンテナでモニタしながら共振周波数を調整する工程が必要となる。
【０００３】
図４は従来のマイクロ波共振器に備えられた基板の表（キャビティ外）と裏（キャビティ内）の部品実装状態を示す図であり、（ａ）は基板の表の部品実装状態を示す図、（ｂ）は基板の裏の部品実装状態を示す図である。図４（ｃ）は図４（ａ）、（ｂ）を回路図として表した図である。図４（ａ）のように基板４０の表面には、フォトセンサ４７からの出力電流を電圧に変換するＩ／Ｖ変換用ＩＣ４１と、基板４０の裏面に備えられた受信用アンテナ４６を同軸端子４３に中継する端子４２と、外部の図示しない測定器と接続する同軸端子４３と、フォトセンサ４７の出力電流を中継するコネクタ４５と、を備え、コネクタ４５のａ端子からＩ／Ｖ変換用ＩＣ４１にインダクタ４４を介して接続し、コネクタ４５のｂ端子はグランドと接続する。
【０００４】
また、図４（ｂ）のように基板４０の裏面には、受信用アンテナ４６と、フォトセンサ４７と、放射用アンテナ４８と、を備え、受信用アンテナ４６は端子４２を介して基板４０の表面に実装された同軸端子４３と接続されている。また、フォトセンサ４７の信号線Ａはコネクタ４５のａ端子に接続され、他の信号線Ｂはコネクタ４５のｂ端子と接続されている。以上の基板表裏の各部品を回路図に表すと図４（ｃ）のようになる。但し、放射用アンテナ４８は省略している。即ち、キャビティ内にはフォトセンサ４７と受信用アンテナ４６があり、フォトセンサ４７の一方の信号線Ｂはコネクタ４５のｂ端子によりキャビティ外の基板４０の表面でグランドに接続され、フォトセンサ４７の他方の信号線Ａはコネクタ４５のａ端子に接続されて、インダクタ４４を介してＩ／Ｖ変換用ＩＣ４１に入力されている。また、キャビティ内に備えられた受信用アンテナ４６は端子４２を介して、キャビティ外の基板４０の表面に実装された同軸端子４３に接続されている。
【０００５】
図５は、受信用アンテナと基板の位置関係を示す拡大断面図である。基板４０を境に上側がキャビティ内、下側がキャビティ外を表す。即ち、キャビティ内には、受信用アンテナ４６が所定の高さを備えて基板４０から浮いた状態で備えられている。従って、受信用アンテナ４６の長さは受信する周波数の少なくとも１／４波長の長さで備えられる。また、受信用アンテナ４６は端子４２を介してキャビティ外に延伸して、同軸端子４３の芯線と線材Ｃにより接続される。
また、従来技術として特許文献１には、キャビティの内側に送受２本のアンテナを配置したルビジウム原子発振器について開示されている。
【特許文献１】実開昭６０−５９６３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図４及び図５に示す従来のマイクロ波共振器には、調整時にマイクロ波をモニタする受信用アンテナが必要とされるため、アンテナを構成する線材、端子、及び同軸端子を必ず備えなければならなかった。しかし、調整が終了すると、受信用アンテナは全く必要がなくなるため、調整時にだけ必要なものを常時備えておかなければならず、その分部品コストが上昇するといった問題がある。また、キャビティ内には可能な限り不要な導体が存在しない方が好ましいので、その点においても受信用アンテナが残存する状況は好ましくない。また、受信用アンテナも実装スペースを占有するため、小型化を阻害する要因となる。
また、特許文献１に開示されている従来技術は、常時、送受信用のアンテナを備えるため、上記と同様の課題を抱えている。
本発明は、かかる課題に鑑み、フォトセンサの信号線を受信用アンテナと共用することにより、受信用アンテナを除去することが可能となり、部品コストの低減と、基板を小型化することができると共に、導体がマイクロ波に与える影響を最小限にして、特性の安定化を図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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明はかかる課題を解決するために、ルビジウム光源から出射される光のマイクロ波周波数に応じた光吸収特性を利用して発振周波数を制御する原子発振器であって、ルビジウム原子の共鳴周波数付近で共振するキャビティと、前記ルビジウム原子を封入したガスセルと、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及び前記ガスセルを透過した励起光を検出する光検出手段を実装した基板と、を備え、前記光検出手段からの出力信号ラインの一部又は全部を、前記マイクロ波の強度を測定する受信用アンテナとして機能させるように構成したことを特徴とする。
キャビティ内に放射されたマイクロ波は波長が短いため、信号線が波長に近い長さ、或いは波長の１／２、１／４の長さであるとアンテナとして機能することができる。本発明はそのような電波の性質を利用して、受信用アンテナの代わりに、信号線に乗ったマイクロ波を検出して、外部の同軸端子から取り出す。これにより、専用の受信用アンテナを不要として、部品コストを低減することができる。
【０００８】
また、前記出力信号ラインから所定の容量を有する容量素子を介して前記マイクロ波を受信することを特徴とする。
光検出手段の出力信号は、一般に直流分が含まれた信号である。しかし、受信用アンテナで受信する信号はマイクロ波であるため、それ以外の信号は不要である。そこで本発明では、直流を含む低周波信号を除去するために、所定の容量を有する容量素子を介してマイクロ波を受信する。これにより、測定器が内部回路に与える影響を遮断することができる。
【０００９】
また、前記出力信号ラインの長さは、少なくとも前記マイクロ波の１／４波長であることを特徴とする。
出力信号ラインを受信用アンテナと共用するためには、使用周波数（マイクロ波）と同調する必要がある。そこで本発明では、出力信号ラインの長さは、少なくともマイクロ波の１／４波長とする。これにより、信号線からマイクロ波を受信し易くすることができる。
【００１０】
また、前記出力信号ラインは、前記キャビティの内部に備えられることを特徴とする。
マイクロ波は、キャビティ内に放射用アンテナから放射される。従って、受信用アンテナもキャビティ内に備えた方が効率よくマイクロ波を受信することができる。その点、光検出手段がキャビティ内にあるため、その信号線も当然キャビティ内に備えられるので好都合である。これにより、従来の配線形態を変更することなく、信号線を受信用アンテナとして共用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
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、ルビジウムガスを充填したＲｂガスセル６と、Ｒｂガスセル６中のルビジウム原子を励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、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、Ｉ／Ｖ変換器９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。尚、図４で説明したとおり、放射用アンテナ４、及びフォトセンサ７は基板２５に実装され、フォトセンサ７とＩ／Ｖ変換器９を接続する信号線Ａをマイクロ波共振器３内のマイクロ波強度を測定する受信用アンテナ２として共用する。その信号は、同軸端子１４により外部に取り出される。
【００１２】
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順位（Ｆ＝１）より高い順位（Ｆ＝２）にある電子をＦ＝１の順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６．８３４６８ＧＨｚを送出し、この周波数に同調をと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を配置する必要があるが、本発明では、専用の受信用アンテナを備えずに、信号線Ａを受信用アンテナ２と共用するものである。
【００１３】
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、所定の温度に維持する円筒状のキャビティ３０と、キャビティ３０の円筒内の長さを調整して共振周波数を調整する調整用リング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金属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、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、金属を使用しないでアンテナを固定するためには、基板２５にアンテナを形成するのが好ましい。また、専用の受信用アンテナを取り除くために、フォトセンサ７の信号線Ａをアンテナとして共用するのが本発明の特徴である。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、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、誘電体２２に対して回転方向に動かすことができる。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）。
【００１４】
図３は本発明のマイクロ波共振器に備えられた基板の表（キャビティ外）裏（キャビティ内）の部品実装状態を示す図である。図３（ａ）は基板の表の部品実装状態を示す図、図３（ｂ）は基板の裏の部品実装状態を示す図である。図３（ｃ）は図３（ａ）、（ｂ）を回路図として表した図である。図３（ｄ）は図３（ａ）からコンデンサ３２を除去した場合の回路図である。同じ構成要素には図２同じ参照番号を付して説明する。
図３（ａ）のように基板２５の表面には、フォトセンサ７からの出力電流を電圧に変換するＩ／Ｖ変換用ＩＣ９と、外部の測定器３４と接続する同軸端子１４と、フォトセンサ７の出力電流を中継するコネクタ１５と、を備え、コネクタ１５のａ端子からＩ／Ｖ変換用ＩＣ９にインダクタ３１を介して接続し、更にコンデンサ３２を介して同軸端子１４と接続している。また、コネクタ１５のｂ端子はグランドと接続する。
また、図３（ｂ）のように基板２５の裏面には、フォトセンサ７と放射用アンテナ４を備え、フォトセンサ７の信号線Ａはコネクタ１５のａ端子に接続され、他の信号線Ｂはコネクタ１５のｂ端子と接続されている。尚、以上の基板表裏の各部品を回路図に表すと図３（ｃ）のようになる。但し、放射用アンテナ４は省略している。即ち、キャビティ内にはフォトセンサ７があり、フォトセンサ７の一方の信号線Ｂはコネクタ１５のｂ端子によりキャビティ外の基板２５の表面でグランドに接続され、フォトセンサ７の他方の信号線Ａはコネクタ１５のａ端子に接続されて、インダクタ３１を介してＩ／Ｖ変換用ＩＣ９に入力されると共に、コンデンサ３２を介して同軸端子１４に接続されている。そして、同軸端子１４には測定器３４を接続して、キャビティ内のマイクロ波の強度を測定する。
【００１５】
本実施形態では、マイクロ波をＲｂガスセル６に向けて放射する放射用アンテナ４、Ｒｂガスセルを透過した励起光を検出するフォトセンサ７、及びＩ／Ｖ変換用ＩＣ９、インダクタ３１、コンデンサ３２を実装した基板２５と、を備え、フォトセンサ７からの出力信号ラインＡの一部又は全部を、マイクロ波の強度を測定する受信用アンテナ２として機能させる。即ち、キャビティ内に放射されたマイクロ波は、波長が短いため、信号線が波長に近い長さ、或いは波長の１／２、１／４の長さであるとアンテナの役目をする。本実施形態はそのような電波の性質を利用して、受信用アンテナの代わりに、出力信号ラインＡに乗ったマイクロ波を検出して、外部の同軸端子１４から取り出す。これにより、専用の受信用アンテナを不要として、部品コストを低減することができる。
また、出力信号ラインＡから所定の容量を有するコンデンサ（容量素子）３２を介してマイクロ波を受信する。即ち、フォトセンサ７の出力信号は、一般に直流分が含まれた信号である。しかし、受信用アンテナ２で受信する信号はマイクロ波であるため、それ以外の信号は不要である。そこで本実施形態では、直流を含む低周波信号を除去するために、所定の容量を有するコンデンサ３２を介してマイクロ波を受信する。これにより、直流分が測定器３４に流入するのを防止して、測定器３４が内部回路に与える影響を遮断することができる。
【００１６】
また、出力信号ラインＡの長さは、少なくともマイクロ波の１／４波長以上である。即ち、出力信号ラインＡを受信用アンテナ２と共用するためには、所望周波数（ルビジウム原子の共鳴周波数＝６．８３４６８ＧＨｚ）のマイクロ波を受信する必要がある。そこで本実施形態では、出力信号ラインＡの長さは、少なくともマイクロ波の１／４波長以上とする。これにより、出力信号ラインＡからマイクロ波を受信し易くすることができる。
また、出力信号ラインＡは、キャビティ３０の内部に備えられる。即ち、マイクロ波は、キャビティ３０内に放射用アンテナ４から放射される。従って、受信用アンテナ２もキャビティ３０内に備えた方が効率よくマイクロ波を受信することができる。その点、フォトセンサ７がキャビティ３０内にあるため、その出力信号ラインＡも当然キャビティ３０内に備えられるので好都合である。これにより、従来の配線形態を変更することなく、出力信号ラインＡを受信用アンテナ２として共用することができる。
【００１７】
図３（ｄ）は、図３（ｃ）の回路からコンデンサ３２を除去して、測定器３４側に備えた場合の回路図である。図３（ｃ）では、直流阻止用のコンデンサを各基板２５内に備えたが、本実施形態では、測定器３４側に備えることにより、更に、基板のコストダウンを図るものである。動作は図３（ｃ）と同様であるので省略する。
以上、受信用アンテナを除去するために、フォトセンサ７の出力信号ラインＡを利用したが、他の信号線を利用しても構わない。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【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り、（ａ）は側面図、（ｂ）は基板をアンテナ実装面から見た図、（Ａ）は基板を除いた側面図、（Ｂ）は基板を除いたときの正面図である。
【図３】本発明のマイクロ波共振器に備えられた基板の表（キャビティ外）裏（キャビティ内）の部品実装状態を示す図であり、（ａ）は基板の表の部品実装状態を示す図、（ｂ）は基板の裏の部品実装状態を示す図、（ｃ）は図３（ａ）（ｂ）を回路図として表した図、（ｄ）は（ａ）からコンデンサ３２を除去した場合の回路図である。
【図４】従来のマイクロ波共振器に備えられた基板の表（キャビティ外）裏（キャビティ内）の部品実装状態を示す図であり、（ａ）は基板の表の部品実装状態を示す図、（ｂ）は基板の裏の部品実装状態を示す図、（ｃ）は（ａ）（ｂ）を回路図として表した図である。
【図５】受信用アンテナと基板の位置関係を示す拡大断面図である。
【符号の説明】
【００１９】
４  放射用アンテナ、７  フォトセンサ、９  Ｉ／Ｖ変換用ＩＣ、１４  同軸端子、１５  コネクタ、２５  基板、３１  インダクタ、３２  コンデンサ、３４  測定器、Ａ  信号線
【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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