「センサ端末同期用原子時計(ULPAC:Ultra-Low
Power Atomic Clock)の研究開発」成果発表
国立研究開発法人産業技術総合研究所
計量標準総合センター物理計測標準研究部門
柳町 真也
2017年10月5日幕張メッセ
MEMSセンシング&ネットワークシステム展2017

背景とねらい【RIMS概要】

1

ネットワークを構成するセンサ端末に搭載可能な原子時計（ULPAC）の開発【ULPACを搭載することで、時刻同期が不要となったRIMSネットワークのメリット】＊橋梁：センシングシステム内の時刻同期性能の向上→より広範囲なデータ処理＊道路付帯構造物：無線同期システムの代替→モニタリングシステム構築の簡略化＊法面：有線同期システムの代替→モニタリングシステム構築の簡略化＊収集サーバ：自律分散的な時刻同期システム→システム運用のセキュリティー強化背景とねらい2【ULPACの利用イメージ】

橋梁センシングの同期しているイメージ図

トンネルセンシングの同期しているイメージ図

ULPACによって、各センサーで同じ時間を保持している。
時刻が同期していることで、構造物全体の揺れや変形を測定可能となる。

GPSが届かない環境でも、センサ間の時刻同期が保証される。

センサ端末に搭載するULPACに求められる仕様
3

10年後の最終目標＊時刻同期性能を10年間で、10ms維持。消費電力1mW。サイズ15×15×5mm3。
→ 先行販売されている小型原子時計比で、約3桁の時刻同期性能向上、約2桁の低消費電力化、１桁のサイズ低減が求められる。

ULPACを実現する研究推進体制
4参画機関
国立研究開発法人
国立大学法人
産業技術総合研究所 京都大学

一般財団法人マイクロマシンセンター 株式会社リコー

国立大学法人
東京工業大学

公立大学法人
首都大学東京技術開発項目

時刻同期性能の向上

低消費電力化

小型・低コスト化

課題

周波数ドリフトの低減

制御回路、及び量子部
温度維持電力の低減

構成部品の高歩留化、組み立技術の高度化

・ガスセル内環境安定化技
術の開発
・サーミスタ、VCSEL等量子部構成部品の安定性検討

・低消費電力と低位相雑音を両立した制御回路の開発
・PLL回路を用いない制御回路の開発

取り組み

・高断熱型量子部の開発
・ガスセル内環境計測・発振周波数補正技術の開発
・量子部温度制御技術の開発
・VCSELエージング処理

・ガラス加工方式ガスセルの小型化
・アルカリ原子励起用フォトニック結晶レーザーの基礎検討

・高断熱型量子部の開発
・VCSELの高歩留化
・低ガス透過性材料を用いたウェハー加工方式ガスセルの開発
・制御回路のCMOS集積化

高い時刻同期性能を実現する小型原子時計の仕組み【量子干渉状態/CPT共鳴】

5CPT共鳴（アルカリ蒸気がCsの場合）
6P(励起準位)

νc = 335THz

光励起

光励起

ν1

ν2(λ=894.6nm)

F=46S(基底準位)

基準準位
9.192631770GHz= ν 0 = ν 2 – ν1

F=3CPT共鳴の条件
1. 搬送波周波数(VCSEL周波数)＜ν → νc ＞
2. 変調周波数Iνm(VCO周波数)

小型原子時計構成図＜νm → ν0＞

ν透過信号

＊VCSELとアルカリ原子が封入されたガスセルを用いることで、省スペースで普遍性の高い固有周波数を参照することが可能となる。

時刻同期性能を阻害する主要な周波数変動要因
6【物理現象と周波数シフト量の関係】
物理現象パラメータ

衝突シフト バファガス分圧
P(=15kPa)

周波数シフト量

相対周波数シフト量67885 Hz 7.38×10-6

ガスセル温度
T(=75℃)

1088 Hz

1.18×10-7

ACシュタ
ルクシフト

レーザー光強度
I(=1800μW/cm2)

570 Hz6.2×10-8ゼーマン
シフト

磁場 B(=14μT)

9.62 Hz

1.05×10-9*H28年度ULPACプロトタイプの主要条件から推定した値

10-10

10-910-8

10-710-6

H27年度重点課題
H28年度重点課題

H29年度重点課題

相対周波数シフト量10-5ガスセルの温度変動の影響を低減する開発技術
7【開発技術のポイント】
周波数シフトの温度係数の符号が異なる２種類のバッファ
ガスのガスセルへの精密混合封止による温度依存性低減【成果】
バファガス単独(Ar)と比較し、混合バファガスでは温度依存性を100分の１に低減【ガスセル温度特性評価結果】【H28ULPACプロトタイプ温度特性評価結果】

N2単体

0.50.0N2/Ar:混合比2.55

動作温度-0.5-1.0-1.5x10-6

Ar単体

規格化周波数偏差

規格化周波数偏差1.05E-09
4E-09
3E-09
2E-09
1E-09
0-1E-09-2E-09
-3E-09-4E-09

補正無し
CSAC

補正有り

04050607080901020304050

環境温度 [C]100

ガスセル温度(℃)
CSAC

補正無し

補正あり

6070

ガスセル温度の変化を抑制する開発技術
8【開発技術のポイント】
ガスセルの小型化により、量子部への真空断熱実装を可能とし、伝熱量を大幅削減。
【成果】
同じ制御電力で、ガスセル温度の精度を１桁改善。
真空断熱型量子部外観（11×11×5mm3）

量子部

VCO

18mm

真空封止部
PD

マイコン

ガスセル（2×2×2mm3）

PLL

平成28年度ULPACプロトタイプ
内部構造（40×40×18mm3）

VCSEL
真空断熱型量子内部構造

中空保持梁（9本）

時刻同期性能を阻害する主要な周波数変動要因
9【物理現象と周波数シフト量の関係】
物理現象パラメータ

衝突シフト バファガス分圧
P(=15kPa)

周波数シフト量

相対周波数シフト量67885 Hz 7.38×10-6

ガスセル温度
T(=75℃)

1088 Hz

1.18×10-7

ACシュタ
ルクシフト

レーザー光強度
I(=1800μW/cm2)

570 Hz6.2×10-8

ゼーマンシフト

磁場 B(=14μT)

9.62 Hz

1.05×10-9*H28年度ULPACプロトタイプの主要条件から推定した値

10-1010-910-8

10-710-6

H27年度重点課題
H28年度重点課題

H29年度重点課題

相対周波数シフト量

10-5時刻同期性能を向上させるガスセル系の改善
10【開発技術のポイント】
ガスセルの内容積拡大（2.7倍）と、VCSEL-ガスセル間距離の拡大(1.5 倍）による、「レーザ照射Cs原子数の増大（約2.5倍）」と、それにより可能となる「レーザ照射強度の低減（約42％低減）」により、１）短期安定度の改善、２）ライトシフト量の低減、を図る。
【成果】
短期安定度は、約3.5倍の改善。ライトシフト量は評価中。
1.3mm
PD0.95mm
PD
レーザ光1.4mm
1.0mm

1.0mm
VCSEL

1.5mm

ガスセル
(外寸：2×2×2mm3）
VCSEL

H28年度ULPACプロトタイプの時刻同期精度の評価
11【成果】
・H28年度ULPACで、10ms/155日以上を確認し、先行する米国CSACと同等以上を達成
・ガスセルで10ms/390日以上を達成。H29年度ULPACで10ms/240日以上を達成の見込み

TCXO 10ms/16日

ULPAC(H28)
10ms/155日
ガスセル(H28)
10ms/390日
外形2mm角・内形1.4mm角

ガスセル(H28)
外形2mm角・内形1.0mm角

アラン標準偏差CSAC(カタログ値)
10ms/152日

10-810-910-1010-1110-1210-131日

1時間

1週

VCSEL
変動抑制

ガスセル内形拡大

H29
目標ライン
H30
目標ライン

短期安定度
101102103

長期安定度
104

平均化時間 (s)105106時刻同期性能を阻害する主要な周波数変動要因
12【物理現象と周波数シフト量の関係】
物理現象パラメータ

衝突シフト バファガス分圧
P(=15kPa)

周波数
シフト量

相対周波数
シフト量

67885 Hz 7.38×10-6

ガスセル温度
T(=75℃)

1088 Hz

1.18×10-7

ACシュタ
ルクシフト

レーザー光強度
I(=1800μW/cm2)

570 Hz6.2×10-8ゼーマン
シフト

磁場 B(=14μT)

9.62 Hz

1.05×10-9*H28年度ULPACプロトタイプの主要条件から推定した値

10-1010-910-8

10-710-6H27年度重点課題
H28年度重点課題

H29年度重点課題

相対周波数シフト量10-5更なる時刻同期性能の向上を目指すデュアルガス補正
13【開発技術のポイント】
バッファガス圧依存性の異なるCs原子とRb原子を用いることで、バッファガス圧の変動量を推測し、それを基に周波数を補正。
【圧力シフト補正アルゴリズム】
𝜈 −Δ∆𝜈 =ΔΔ

CPT1Cs原子のCPT共鳴周波数
CPT2Rb原子のCPT共鳴周波数

Cs原子の周波数変動量

Δを測定∆𝜈 を推定𝜈−

𝛽𝛽２共鳴の周波数比

デュアルガスセルを用いてリアルタイムに測定可能

デュアルガス補正システムの構成
Cs原子の遷移周波数
Rb原子の遷移周波数

𝜈𝜈𝜈
𝜈

𝜈

𝛽𝛽

計測前の測定で固有パラメータを決定可能を補正

長期安定度の改善

デュアルガス補正法の検証実験
14【成果】
3日間の2周波数変動データからパラメータを求め、Cs原子のCPT共鳴周波数全体(23日間)を補正 し、8倍以上の精度向上効果を確認。現状のプロトタイプの周波数安定度を大幅に上回る可能性を検証。
Cs原子のCPT共鳴周波数のドリフトレート

1.3×10-11/日
３日間のデータから補正されたCs原子のCPT共鳴周波数のドリフトレート

133Cs | 𝜈

Rb原子のCPT共鳴周波数のドリフトレートの値を決定し，周波数を補正

1.6×10-12/日
1.7×10-10/日
補正後 133Cs | 𝜈

85Rb | 𝜈低消費電力と低位相雑音を両立したCMOS集積化
PLL回路の開発
15【開発技術のポイント】
・tail-pump型回路を採用することでVCO単体の消費電力を大幅削減
・PLL回路もCMOS集積化することで、消費電力化を大幅削減【成果】
4.6GHｚVCOの消費電力0.65mW、位相雑音-116dBc/Hzの世界最高性能を実現
2: 2017目標
1: 2016実績
0.65mW、-116dBc/Hz 1mW、-112dBc/Hz
3: 2015目標
4: M社CSAC
10mW、-112dBc/Hz32mW、-113dBc/Hz

Tail-pump型4.6GHzVCO
位相雑音特性vs消費電力

VCO

PLL

試作したCMOS集積化回路（実装サイズ：3mm角）

ULPACﾌﾟﾛﾄﾀｲﾌﾟで消費電力を検証
16【成果】
・真空断熱実装により、量子部の消費電力を大幅削減
・4.6GHｚ発振回路をCMOS集積化することで、消費電力でも差別化・システムの最適化で、電力損失を大幅削減
・H28年度にULPAC消費電力117mWを達成
・H29年度はCMOS集積化4.6GHz発振回路で72mWを達成見込み
平成28年度ULPACﾌﾟﾛﾄﾀｲﾌﾟ

CSAC(Microsemi)

ULPAC
(H27)

ULPAC
(H28)

ULPAC(H29)見込
み

量子部

11mW

280mW

11mW

11mW

4.6GHz発振回路

52mW

68mW

64mW

18mW

制御回路

49mW

253mW

37mW

36mW

電力損失

13mW

799mW

5mW

7mW

total

125mW

1400mW

117mW

72mW

屋外での実証実験に向け、評価用モジュールを開発【ULPAC評価用時刻同期モジュールの機能】

17① 時刻同期性能評価機能
・GPSに連動したULPACの初期時刻自動調整機能
・GPS(1PPS)基準のULPAC時刻偏差記録機能② 実証実験環境記録機能
・タイムスタンプ ：ULPAC基準(分解能100ns、アナログデータ用) 、
システムクロック基準(分解能1μs、デジタルデータ用)
・設置環境記録機能：加速度/磁気/温度/湿度/圧力（オンボード）+ α（外部アナログ/デジタルセンサ）

ADC
FPGA

ULPAC
ログ
記録
５V LAN WiiFi
電源

1PPS
10MHz

センサ（３個）GPS 外部アナログ
センサ（３個）1PPS
周波数標準器

時刻同期モジュール外観（100×190×45mm3）

FPGA
データ

制御PC
（ボード裏面）

ア
加速度
ナ センサ
ロ
グ
セ ADC
ン
サ
部 外部アナログ

タイム
スタンパ

RTC

10MHz

ULPAC
1PPS

時刻、データ制御
PC

データ

マイコン

データ

データ
I2Cバス

リピータ
I2Cバス
外部デジタルセンサ

時刻同期モジュールの構成

温湿度+気圧センサ

磁気センサ

デジタルセンサ部

加速度センサ本研究は国立研究開発法人新エネル
ギー・産業技術総合開発機構（NEDO）の委託研究業務の結果得られた成果です。

ご清聴ありがとうございます。
より詳細はパネル展示スペースにてご説明申し上げます。