モニタリングシステムの構築・運用の革新を目指す
センサ端末同期用原子時計の研究開発
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
2016年9月15日パシフィコ横浜
MEMSセンシング&ネットワークシステム展

背景とねらい【RIMS概要】＊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＊10ms維持、 10年メンテナンスフリー、1mWを目標

背景とねらい【各種基準時計を利用した場合の時刻同期形態】＊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桁の低消費電力化が求められる。

小型原子時計の仕組み

量子部(温度制御)

ガスセル
バッファーガス

面発光レーザー(VCSEL)同期回路

時間標準信号

電圧制御発振器
(VCO)

検出器

アルカリ
飽和蒸気
Cs、Rb・・・

真空断熱構造0アルカリ原子準位図

透過信号

0

加熱 0(温度制御)

励起準位

I

レーザー
0

基底準位

固有周波数
0S
0

制御回路
補正
誤差信号

＊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。

小型原子時計の主要な周波数変動要因*周波数シフトはThesis, Svenija Akkira Knappe, Dark Resonance Magnetometers andAtomic Clocks, May 2001 & Advanced Techniquesによる

ULPAC開発の研究推進体制
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

長期時刻同期性能の高度化

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

取り組み

・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
・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

・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

これまでの成果(H27年8月～)
長期時刻同期性能の高度化

ガスセル内環境安定化技術の開発【ガラス加工方式ガスセル製造装置立ち上げ】【ガスセル内環境変動要因のモデル構築】
衝突シフト
 ：圧力係数・高純度Cs封入
・ガスセル素材や、封入バファガスの特性調査
・古くから実績のあるバーナ封じ切りによるガラス加工方式【27年度ガスセル試作φ5×9mm3】  P0    T  T0    T  T0 2 ：1次温度係数

 ：2次温度係数

フィックの第一法則によるガス圧P(t)の推定

dPt LPext  Pt  L  KA Pa 2
dt
PaV0dpermeation constant
3L permeation rate (Pa・m /s) V0 cell volume K(m2 s-1 Pa-1)
normalizationd membrane thickness Pa pressure (103 kPa) A membrane area

1 メインバッファガスの流出 2 セル外からの流入
3 Csと不純ガスの化学反応による水素の生成、或は壁面からのアウトガス

Cs原子 不要ガス
メインバッファガス

1 流出

素材：石英、パイレックス
封入バファガス：Ne、N2、Ar

3+→

2 流入

これまでの成果(H27年8月～)
長期時刻同期性能の高度化

ガスセル内環境安定化技術の開発【周波数ドリフトの初期封入圧力依存性】
010-610-710-810-9frequency variation

frequency variation【Ne封入セルによる周波数ドリフト発生の推定】

Ne (-)
He (+)
N2 (+)Ar (-)
H2 (+)
target-1.1×10-10/day
Ne流出'7kPa''13kPa''18kPa'-1-2

約5日間の計測

-3-10

10

He流入

Ar流入

-11100

1010

10

N2流入

H2流出

-12102

3

10

100

200

300

400

elapsed time (1000 s)
410elapsed time (day)-9-4x101010

セル外環境：大気を想定

5Ne封入
圧力

ドリフトレート
予測値(/day)

ドリフトレート実測値(/day)

ガス種

Partialpressure (Pa)

ガス種

Partialpressure (Pa)

7 kPa

-1.1×10-10-3.5×10-10

13 kPa-2.0×10-10-5.0×10-10N28.0×104

Ne1.918 kPa-2.8×10-10-5.9×10-10

O22.1×104

He

5.4×10-1

Ar9.6×102

H25.2×10-2

CO24.0×101＊全て負性ドリフトが観測され、ドリフトレートは封入圧力に依存する傾向が得られた。モデルの有用性を確認。

これまでの成果(H27年8月～)
長期時刻同期性能の高度化
ガスセル内環境安定化技術の開発【素材による違い】【ガス種による違い】

0.0-0.5

パイレックス・Ne-7.0×10-11 /day

-1.0-1.5'7kPa''7.80kPa_pylex_Ne'

-2.0

石英・Ne
-3.5×10-10 /day

-2.5-3.0x10

frequency variation

frequency variation

0.0-1.0100200300-2.0400

材料による傾向(for He)(文献値)
透過定数(相対値)

石英1

パイレックス

0.1

アルミノケイ酸ガラス

5×10-4

石英・Ne-3.5×10-10 /day-2.5

500

600-3.0x10-90

elapsed time (1000 s)

材料

N2_7kPa
Ne_7kPa-1.5-90

石英・N2<7×10-12/day-0.5100200300

400500600700elapsed time (1000 s)

ガス種による傾向(fused silia@700℃) )(文献値)
ガス種

透過定数(相対値)

ガス種

透過定数(相対値)

He

1

Ar<10-7H20.1

O2<10-7Ne

2×10-2

N2<10-7これまでの成果(H27年8月～)
長期時刻同期性能の高度化
ガスセル内環境安定化技術の開発【素材による違い】【ガス種による違い】

0.0-0.5

パイレックス・Ne-7.0×10-11 /day

-1.0-1.5'7kPa''7.80kPa_pylex_Ne'-2.0

石英・Ne-3.5×10-10 /day

-2.5-3.0x10

frequency variation

frequency variation

0.0-1.0100200300-2.0400500600

材料による傾向(for He)(文献値)
透過定数(相対値)

1＊石英よりもパイレックスがガス透過
石英0.1
パイレックス
特性が良好なことを実験的に確認
アルミノケイ酸ガラス

5×10-4石英・Ne-3.5×10-10 /day

-2.5-3.0x10-90

elapsed time (1000 s)

材料

N2_7kPa
Ne_7kPa-1.5-90

石英・N2<7×10-12/day-0.5100200300

400500600

700

elapsed time (1000 s)

ガス種による傾向(fused silia@700℃) )(文献値)
ガス種

透過定数(相対値)

ガス種

He1Ar<10H20.1

O2<10-7Ne

2×10-2

N2<10-7透過定数(相対値)＊NeよりもN2のガス透過特性が良好-7なことを実験的に確認

これまでの成果(H27年8月～)と今後の展望
長期時刻同期性能の高度化
H27年度ULPACプロト評価【周波数安定度による評価】

日月【周波数安定度から推定される長期時刻同期性能の推移】

年 10年

10-9

ア
ラン10-10標準偏差 10-11

10-12100

パイレックス・N2
Microsemi社
CSAC カタログ値
２７年度
ULPAC

102

ULPAC
最終目標
104106108

平均時間(秒)・ドリフトレート1×10-12/day以下となることを実験的に確認

・H27年度プロトタイプでは、10年、1秒以下の時刻同期性能を保持する試算。

＊時刻同期性能として大気中Heリミットに近いレベルを確認。
＊ガス低透過性材料(アルミノケイ酸ガラス)を利用すると、最終目標達成の見込み。

これまでの成果(H27年8月～)と今後の展望
長期時刻同期性能の高度化
デュアルガスセルによる周波数補正技術の考案、基礎検討・実験【考案されたデュアルガスセル方式原子時計の光学系】【同時検出されたCs/RbのCPT共鳴信号】

RbのCPT共鳴

CsのCPT共鳴

CPT : Coherent Population Trapping BPF : Band-Pass Filter【実験により算出された圧力変動と周波数差の関係】

 :Cs・Rb共鳴周波数差 P :バファガス圧変動

 Cs :Csの圧力係数

 Rb :Rbの圧力係数＊CsとRbのCPT共鳴を同時計測し、その周波数差から共鳴周波数の変動量を推定。
＊周波数ドリフト抑制の到達レベルを1桁向上（単独セル比）の見込み。
＊基準周波数の補正精度を検証実験中。

これまでの成果（H27年8月～）
低消費電力化
低消費電力と低位相雑音を両立した制御回路の開発【VCO消費電力削減の検討】【消費電力一覧(CSAC)】
systempower

量子部11mW

VCO+PLL

53(=32+21)mW

Control Logic+ Regulator

54mW

10MHz
Crystal Osc.

7mW

Total

125mW

制御回路

＊原子時計消費電力の90%以上が回路によるもの

・Target @ 2015
・Microsemi
32mW, -113dBc/Hz 10mW, -112dBc/Hz

・Target @ 2017
1mW, -112dBc/Hz＊構成部品の見直し＊逐次、モノリシック化を推進＊VCO回路方式の改良により、FｏM＊削減効果、及び工夫の余地が大きいの向上を図り、位相雑音を維持しつつVCO改良から低消費電力化を検討。

これまでの成果（H27年8月～）
低消費電力化/小型・低コスト化
低消費電力と低位相雑音を両立した制御回路の開発/CMOS集積化【ULPAC内ブロックダイアグラム】【VCO単体試作完了】

H28年度取り組み部分
・ほぼ、シミュレーション通りの評価結果を確認＊VCO+PLLで消費電力2mW(トータル約80mW)の試算。
＊回路シミュレータにより動作確認済み。現在、試作中。
＊VCO単体試作完了。消費電力は世界最小レベル。
＊H30年までにプロト機へ実装。

今後の展望低消費電力化/小型・低コスト化
低消費電力と低位相雑音を両立した制御回路の開発/CMOS集積化【制御回路の将来イメージ(トータル消費電力約30mW)】＊プロト機への実装と平行して、来年度以降、PLL等のモノリシック化試作を進める。

これまでの成果（H27年8月～）
低消費電力化/小型・低コスト化

ガスセルの小型化、真空封止による量子部の高断熱化【H27年度プロトタイプ】
PD
ガスセル
光学系

VCSEL

【量子部熱解析モデルによる設計】

コイル
磁気シールドヒーター

ガスセルφ5×9mm3

55×55×35mm3

量子部（25×25×25mm3)・例えば75℃保持では必要電力は1/6(大気中比)【2.1mm角セルの特性確認】

・ガスセル可換型 ・大気中設置 ・種々の基礎データ取得に使用・ガスセル温度維持消費電力は約900mW【H28年度プロトタイプ】

40×40×18mm3

28年度ガスセル
φ2×2×2mm3・機密封止による高断熱型量
子部 (<0.1Pa)
・2mm角ガスセル(ガラス加工方式)作製
・拡散結合方式ガスセル検討、
及び作製

目標値

・ガスセルの小型化が長期安定度を阻害しないことを実験的に確認＊H28年度プロトタイプは、現在、製作中。消費電力はトータルでCSACと同等見込み。

これまでの成果（H27年8月～）
10年後を見据えた技術ロードマップ策定
事業化に向けた技術ロードマップ策定
仕様項目
長期安定度
消費電力
サイズ

H28年（M社CSAC)
0.01秒/5ヶ月
120mW
40×35×12mm3

H30年(ULPAC)
0.01秒/8ヶ月
60mW
30×30×11mm3

H33年(ULPAC) H38年以降(ULPAC)
0.01秒/2年
0.01秒/10年
20mW
1mW
20×20×10mm315×15×5mm3

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。