(57)【要約】【課題】基板の位置決めを調整することなく、初期の特性を確保す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】このマイクロ波共振器３３は、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３０と、ルビジウム原子を封入したＲｂガスセル６（図示せず）と、基板２５と、を備え、ガスセルを透過した励起光を出射するキャビティ３０の開口側に基板２５を固定する基板固定部３２を備え、基板固定部３２に基板２５を位置決めする矩形の位置決め部材を備えた。この実施形態では、位置決め部材を、基板２５の外周縁２５ａの少なくとも一部と密着する内面を備えた枠体３４により構成される。【選択図】図２
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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、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、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、
前記ガスセルを透過した励起光を出射する前記キャビティの開口側に前記基板を固定する基板固定部を備え、該基板固定部に前記基板を嵌合して位置決めする矩形の位置決め部材を備えたことを特徴とするルビジウム原子発振器。
【請求項２】
前記位置決め部材は、前記基板の外周縁の少なくとも一部と密着する内面を備えた枠体により構成され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】
前記位置決め部材は、前記基板の外周縁の少なくとも一部と密着する内面を備えたＬ字ガイド板により構成され、該Ｌ字ガイド板を前記基板固定部の対向する２つの角隅部に備えた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４】
前記枠体の内面に少なくとも１つの突起を設け、前記基板には該突起が密着して嵌合する切り欠きを備えた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５】
前記枠体に少なくとも１つの切り欠きを設け、前記基板には該切り欠きが密着して嵌合する突起を備えた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６】
前記枠体の角隅部に面取り状の突起を設け、前記基板には該突起が密着して嵌合する切り欠きを備えた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７】
前記Ｌ字ガイド板が設けられた２つの角隅部以外の少なくとも他の１つの角隅部に面取り状の突起を設け、前記基板には該突起が密着して嵌合する切り欠きを備えたことを特徴とする請求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、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に取り付ける基板の取り付け構造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。
図６は従来のマイクロ波共振器に係るキャビティと基板の位置関係を示す図である。従来のキャビティ３０は、開口部３１側に設けた鍔状の基板固定部３２に固定用のネジ穴２４を設け、基板２５に設けたネジ穴２９をネジ穴２４に合わせてネジ２６により固定していた。
【０００３】
図７は従来のマイクロ波共振器の構成図である。図７（ａ）は側面図、図７（ｂ）は基板をアンテナ実装面から見た図、図７（Ａ）は基板を除いた側面図、図７（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、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７（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、金属を使用せずに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（図７（ｂ）参照）。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によりキャビティ３０基板固定部３２に固定されている（図７（ａ）参照）。
【０００４】
また、従来技術として特許文献１には、キャビティの開口面を基板で密封する構造により、基板に逓倍回路等を実装可能とした原子発振器について開示されている。
【特許文献１】特開平１１−１５０４７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、図６及び図７に示す従来のマイクロ波共振器に係る基板の取り付け構造は、キャビティ３０の開口部３１に設けた基板固定部３２に基板２５を取り付ける際、基板２５に設けたネジ穴２９の精度に限界があるため、基板２５の位置がずれて、基板２５に実装されている放射用アンテナ４等の高周波部品の位置がずれることにより、特性がばらつくといった問題がある。
また、特許文献１に開示されている従来技術においても、基本的に基板をネジによりキャビティに取り付けるため、上記と同じ課題が発生して逓倍回路の特性が変化するといった問題がある。
【０００６】
本発明は、かかる課題に鑑み、キャビティの開口面に基板を位置決めする位置決め部材を備え、基板を位置決め部材に沿わせてキャビティの開口面に固定することにより、基板の位置決めを調整することなく、初期の特性を確保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、マイクロ波共振器の調整時間を短縮して組み立てコストを低減することである。
【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、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、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、前記ガスセルを透過した励起光を出射する前記キャビティの開口側に前記基板を固定する基板固定部を備え、該基板固定部に前記基板を嵌合して位置決めする矩形の位置決め部材を備えたことを特徴とする。
キャビティに取り付ける基板には、放射用アンテナ、受信用アンテナ、及び光検出手段が実装されている。また、キャビティはマイクロ波を扱うため、内部の各部品の配置により周波数が変動する要素を持っている。従って、基板をキャビティの基板固定部に実装する場合、放射用アンテナ、受信用アンテナ、及び光検出手段が規定の誤差範囲で配置されることが重要である。そこで本発明では、基板とキャビティの位置関係が一義的に決定するように、基板固定部に基板を位置決めする矩形の位置決め部材を備える。これにより、基板を位置決め部材に沿わせてキャビティの開口面に固定することにより、基板の位置決めを調整することなく、初期の特性を確保することができる。また、キャビティと基板の位置関係が一義的に決定できるので、可能な限り表面積が大きい光検出手段を基板に実装することができ、受光感度を高めることができる。
【０００８】
また、前記位置決め部材は、前記基板の外周縁の少なくとも一部と密着する内面を備えた枠体により構成されることを特徴とする。
最も確実に矩形の基板を位置決めするには、基板の外周縁の少なくとも一部と密着する内面を備えた枠体にはめ込むのが良い。そこで本発明では、基板固定部に基板の外周縁の少なくとも一部と密着する内面を備えた枠体を備える。これにより、基板を枠体にはめ込むだけで一義的に基板の位置を決定することができる。
【０００９】
また、前記位置決め部材は、前記基板の外周縁の少なくとも一部と密着する内面を備えたＬ字ガイド板により構成され、該Ｌ字ガイド板を前記基板固定部の対向する２つの角隅部に備えたことを特徴とする。
枠体による位置決め方法は最も単純で確実であるが、位置決め部材を枠状に作るため、材料の使用量が多くなり材料費が高くなる。そこで本発明では、矩形の基板を位置決めするには、対角線上の２つの点を決定すれば矩形全体の位置が決定できるので、Ｌ字ガイド板を基板固定部の対角線上に備えた。これにより、少ない材料費で基板の位置を決定することができる。
【００１０】
また、前記枠体の内面に少なくとも１つの突起を設け、前記基板には該突起が密着して嵌合する切り欠きを備えたことを特徴とする。
基板が矩形で且つ正方形の場合、基板の向きに関係なく枠体に設置することができる。従って、基板の向きを予め確認して設置しないと誤った向きのまま設置する可能性がある。そこで本発明では、枠体の内面に少なくとも１つの突起を設けて、基板にはこの突起が密着して嵌合する切り欠きを備える。これにより、基板の向きを確認することなく突起と切り欠きを嵌合させるだけで正しい基板の向きで設置することができる。
【００１１】
前記枠体に少なくとも１つの切り欠きを設け、前記基板には該切り欠きが密着して嵌合する突起を備えたことを特徴とする。
本発明は逆に枠体に少なくとも１つの切り欠きを設け、基板にはこの切り欠きが密着して嵌合する突起を備える。これにより、基板の向きを確認することなく突起と切り欠きが嵌合させるだけで正しい基板の向きで設置することができる。
【００１２】
前記枠体の角隅部に面取り状の突起を設け、前記基板には該突起が密着して嵌合する切り欠きを備えたことを特徴とする。
基板の辺に切り欠きを備える場合、基板の一部の辺をコ字状に加工する必要があり手間がかかる。そこで本発明では、コ字状の切り欠きに代わって、枠体の角隅部に面取り状の突起を設け、基板にはこの突起が密着して嵌合する切り欠きを備える。これにより、基板の加工が角隅をカットするだけの加工で済み、加工が容易となる。
【００１３】
前記Ｌ字ガイド板が設けられた２つの角隅部以外の少なくとも他の１つの角隅部に面取り状の突起を設け、前記基板には該突起が密着して嵌合する切り欠きを備えたことを特徴とする。
本発明は、対角線上に備えられたＬ字ガイド板を備えたキャビティの場合に、基板の向きを規制する発明である。即ち、Ｌ字ガイド板以外の角隅部に面取り状の突起を設け、基板にはこの突起が密着して嵌合する切り欠きを備える。これにより、基板の加工が角隅をカットするだけの加工で済み、加工が容易となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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内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。尚、図７（ｂ）で説明したとおり、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に実装される。
【００１５】
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を配置している。以下、説明を簡略化するために、基板２５とキャビティ３０の構成をマイクロ波共振器と呼ぶ。
【００１６】
図２は本発明の第１の実施形態に係るマイクロ波共振器の構成を示す図である。同じ構成要素には図６と同じ参照番号を付して説明し、以下同様とする。このマイクロ波共振器３３は、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３０と、ルビジウム原子を封入したＲｂガスセル６（図示せず）と、基板２５と、を備え、ガスセルを透過した励起光を出射するキャビティ３０の開口側に基板２５を固定する基板固定部３２を備え、基板固定部３２に基板２５を位置決めする矩形の位置決め部材を備えた。この実施形態では、位置決め部材を、基板２５の外周縁２５ａの少なくとも一部と密着する内面を備えた枠体３４により構成する。
一般的に基板２５の外形寸法はかなり高い精度で形成される。従って、枠体３４の内径寸法が、基板２５の外形寸法と同じになるようにすれば、基板２５を枠体３４内にはめ込むことにより、一義的にキャビティ３０と基板２５の位置が決定する。その後、ネジ２６により４箇所を固定する。尚、キャビティ３０は型部材により構成されるのが好ましい。
【００１７】
即ち、キャビティ３０に取り付ける基板２５には、放射用アンテナ４、受信用アンテナ２、及びフォトセンサ（光検出手段）７が実装されている。また、キャビティ３０はマイクロ波を扱うため、内部の各部品の配置により共振周波数が変動する要素を持っている。従って、基板２５をキャビティ３０の基板固定部３２に実装する場合、放射用アンテナ４、受信用アンテナ２、及びフォトセンサ７が規定の誤差範囲で配置されることが重要である。そこで本実施形態では、基板２５とキャビティ３０の位置関係が一義的に決定するように、基板固定部３２に基板２５を位置決めする矩形の位置決め部材を備える。本実施形態では、位置決め部材として、基板２５の外周縁の少なくとも一部と密着する内面を備えた枠体３４により構成される。また、枠体３４は図２のように完全な枠体である必要はなく、基板固定部３２の各辺の一部に備えるようにしても良い。これにより、基板２５を位置決め部材に沿わせてキャビティ３０の基板固定部３２に固定することにより、基板２５の位置決めを調整することなく、初期の特性を確保することができる。また、キャビティ３０と基板２５の位置関係が一義的に決定できるので、可能な限り表面積が大きいフォトセンサ７を基板２５に実装することができ、受光感度を高めることができる。
【００１８】
図３は本発明の第２の実施形態に係るマイクロ波共振器の構成を示す図である。このマイクロ波共振器４０は、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３０と、ルビジウム原子を封入したＲｂガスセル６（図示せず）と、基板２５と、を備え、ガスセルを透過した励起光を出射するキャビティ３０の開口側に基板２５を固定する基板固定部３２を備え、基板固定部３２に基板２５を位置決めするガイド板の位置決め部材を備えた。本実施形態では、位置決め部材として、基板２５の外周縁２５ａの少なくとも一部と密着する内面を備えたＬ字ガイド板４１、４２により構成され、Ｌ字ガイド板４１、４２を基板固定部３２の対角線上に備えた。
即ち、図２の枠体３４による位置決め方法は最も単純で確実であるが、位置決め部材を枠状に作るため、材料の使用量が多くなり材料費が高くなる。そこで本実施形態では、矩形の基板２５を位置決めするには、対角線上の２つの点を決定すれば矩形全体の位置が決定できるので、Ｌ字ガイド板４１、４２を基板固定部３２の対角線上に備えた。これにより、少ない材料費で基板２５の位置を決定することができる。尚、Ｌ字ガイド板４１と４２を何れか一方を削除してもある程度の位置決めは可能である。
【００１９】
図４（ａ）は本発明の第３の実施形態に係るマイクロ波共振器の構成を示す図である。このマイクロ波共振器４５は、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３０と、ルビジウム原子を封入したＲｂガスセル６（図示せず）と、基板２５と、を備え、ガスセルを透過した励起光を出射するキャビティ３０の開口側に基板２５を固定する基板固定部３２を備え、基板固定部３２に基板２５を位置決めする矩形の位置決め部材を備えた。この実施形態では、位置決め部材を、基板２５の外周縁２５ａの少なくとも一部と密着する内面を備えた枠体３４により構成し、枠体３４の内面に少なくとも１つの突起３４ｂを設け、基板２５には突起３４ｂが密着して嵌合する切り欠き２５Ｂを備えた。
即ち、基板２５が矩形で且つ正方形の場合、図２のでは基板２５の向きに関係なく枠体３４に設置することができる。従って、基板２５の向きを予め確認して設置しないと誤った向きのまま設置する可能性がある。そこで本実施形態では、枠体３４の内面に少なくとも１つの突起３４ｂを設けて基板２５にはこの突起３４ｂが密着して嵌合する切り欠き２５Ｂを備える。これにより、基板２５の向きを確認することなく突起３４ｂと切り欠き２５Ｂが嵌合させるだけで正しい基板２５の向きで設置することができる。尚、枠体３４に切り欠きを備え、基板２５にこの切り欠きに密着して嵌合する突起を備えるようにしても良い。
【００２０】
図４（ｂ）は本発明の第４の実施形態に係るマイクロ波共振器の構成を示す図である。このマイクロ波共振器４６は、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３０と、ルビジウム原子を封入したＲｂガスセル６（図示せず）と、基板２５と、を備え、ガスセルを透過した励起光を出射するキャビティ３０の開口側に基板２５を固定する基板固定部３２を備え、基板固定部３２に基板２５を位置決めする矩形の位置決め部材を備えた。この実施形態では、位置決め部材を、基板２５の外周縁２５ａの少なくとも一部と密着する内面を備えた枠体３４により構成され、枠体３４の角隅部に面取り状の突起３４ａを設け、基板２５には突起３４ａが密着して嵌合する切り欠き２５Ａを備えた。
即ち、図４（ａ）のように基板２５の辺に切り欠き２５Ｂを備える場合、基板２５の一部の辺をコ字状に加工する必要があり手間がかかる。そこで本実施形態では、コ字状の切り欠き２５Ｂに代わって、枠体３４の角隅部に面取り状の突起３４ａを設け、基板２５にはこの突起３４ａが密着して嵌合する切り欠き２５Ａを備える。これにより、基板２５の加工が角隅をカットするだけの加工で済み、加工が容易となる。
【００２１】
図５は本発明の第５の実施形態に係るマイクロ波共振器の構成を示す図である。このマイクロ波共振器４７は、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３０と、ルビジウム原子を封入したＲｂガスセル６（図示せず）と、基板２５と、を備え、ガスセルを透過した励起光を出射するキャビティ３０の開口側に基板２５を固定する基板固定部３２を備え、基板固定部３２に基板２５を位置決めするガイド板の位置決め部材を備えた。本実施形態では、位置決め部材として、基板２５の外周縁２５ａの少なくとも一部と密着する内面を備えたＬ字ガイド板４１、４２により構成され、Ｌ字ガイド板４１、４２を基板固定部３２の対角線上に備え、基板固定部３２の対角線上に備えられたＬ字ガイド板４１、４２以外の角隅部に面取り状の突起４３を設け、基板２５には突起４３が密着して嵌合する切り欠き２５Ｃを備えた。
即ち、本実施形態は、対角線上に備えられたＬ字ガイド板４１、４２を備えたキャビティの場合に、基板２５の向きを規制する発明である。即ち、Ｌ字ガイド板４１、４２以外の角隅部に面取り状の突起４３を設け、基板２５にはこの突起４３が密着して嵌合する切り欠き２５Ｃを備える。これにより、基板２５の加工が角隅をカットするだけの加工で済み、加工が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【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】本発明の第１の実施形態に係るマイクロ波共振器の構成を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係るマイクロ波共振器の構成を示す図である。
【図４】（ａ）は本発明の第３の実施形態に係るマイクロ波共振器の構成を示す図、（ｂ）は本発明の第４の実施形態に係るマイクロ波共振器の構成を示す図である。
【図５】本発明の第５の実施形態に係るマイクロ波共振器の構成を示す図である。
【図６】従来のマイクロ波共振器に係る基板の取り付け方法を説明する斜視図である。
【図７】従来の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。
【符号の説明】
【００２３】
６  Ｒｂガスセル、２５  基板、２５ａ  基板２５の外周縁、３０  キャビティ、３２  基板固定部、３３  マイクロ波共振器、３４  枠体
【図１】
2009065418.tif 000003
【図２】
2009065418.tif 000004
【図３】
2009065418.tif 000005
【図４】
2009065418.tif 000006
【図５】
2009065418.tif 000007
【図６】
2009065418.tif 000008
【図７】
2009065418.tif 000009