JP2019092023A - 原子発振器、信号生成システムおよび電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスセル周辺の温度勾配を低減することができる原子発振器を提供する。また、この原子発振器を備える信号生成システムおよび電子機器を提供する。【解決手段】原子発振器１は、アルカリ金属原子が封入されている原子セル２０１と、アルカリ金属原子を励起する光を出射する光源１０２と、原子セルを透過した光を検出する光検出素子２０２と、光検出素子に接続されている配線５１０と、原子セルを加熱するヒーター２０３と、光検出素子２０２に対して原子セルとは反対側に配置され、ヒーター２０３および配線５１０に熱的に接続されている伝熱部材２１０と、を含む。【選択図】図３

Description

本発明は、原子発振器、信号生成システムおよび電子機器に関するものである。

ルビジウム、セシウム等のアルカリ金属原子のエネルギー遷移に基づいて発振する原子発振器では、一般に、アルカリ金属原子がガスセル内に封入されており、そのアルカリ金属原子が所定のガス状態に保たれるように、ガスセルがヒーターにより加熱されている。

例えば、特許文献１に記載の原子発振器では、ガスセルを保持しているガスセル保持部材がヒーターからの熱をガスセルに伝導することによりガスセルを加熱する。また、ガスセル保持部材には、ガスセルを透過した光を検出する光検出部が接着剤を介して接合されている。

特開２０１７−１１２５１５号公報

特許文献１には記載されていないが、一般に、光検出部には、外部に引き出された配線が接続される。特許文献１に記載の原子発振器においては、当該配線を通じてヒーターからの熱が移動する可能性がある。特許文献１には、当該配線を通じた熱の移動について開示がない。従来の構成では、当該配線を通じた熱の移動により、ガスセル周辺に意図しない温度勾配が生じる等する可能性がある。

本発明の目的は、ガスセル周辺の温度勾配を低減することができる原子発振器を提供すること、また、この原子発振器を備える信号生成システムおよび電子機器を提供することにある。

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、以下の適用例または形態として実現することが可能である。

本適用例の原子発振器は、アルカリ金属原子が封入されている原子セルと、前記アルカリ金属原子を励起する光を出射する光源と、前記原子セルを透過した前記光を検出する光検出素子と、前記光検出素子に接続されている配線と、前記原子セルを加熱するヒーターと、前記光検出素子に対して前記原子セルとは反対側に配置され、前記ヒーターおよび前記配線に熱的に接続されている伝熱部材と、を含む。

このような原子発振器によれば、ヒーターおよび配線に熱的に接続されている伝熱部材が光検出素子に対して原子セルとは反対側に配置されているため、伝熱部材を介したヒーターからの熱により光検出素子または配線を原子セルと同様に好適に温度調節（加熱）することができる。そのため、原子セルが配線を通じた熱の移動による外部の温度の影響を受け難く、原子セル周辺の温度勾配を低減することができる。

なお、本明細書において、「熱的に接続」とは、次の条件ａ、ｂ、ｃのうち、条件ａまたは条件ｂを満たし、かつ、条件ｃを満たすことを言う。条件ａ：２つの部材が直接または他の部材を介して物理的に接している。条件ｂ：２つの部材が直接または他の部材を介して配置されており、これらの部材間の間隙（当該２つの部材間、または当該２つの部材のうちの一方の部材と当該他の部材との間の間隙）が５０μｍ以下である。条件ｃ：２つの部材間に他の部材が介在している場合、当該他の部材の構成材料の熱伝導率が１０Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１以上である。なお、間隙は熱伝導率が１０Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１未満の部分であり、当該部分には接着剤等が存在していても、空間（空気層）であってもよい。

本適用例の原子発振器では、前記原子セルを保持している保持部材を備え、前記ヒーターは、前記保持部材を介して前記原子セルおよび前記伝熱部材に熱的に接続されていることが好ましい。

これにより、ヒーターの数を少なくしたり、ヒーターの設置に関して設計の自由度を高めたりすることができる。

本適用例の原子発振器では、前記保持部材の熱伝導率は、前記原子セルの熱伝導率よりも大きく、前記伝熱部材は、前記保持部材に固定されていることが好ましい。

これにより、ヒーターからの熱を保持部材を介して原子セルおよび伝熱部材に効率的に伝導することができる。

本適用例の原子発振器では、前記光検出素子が配置され、前記配線が設けられている配線基板を含み、前記伝熱部材は、前記配線基板を前記保持部材に向かって付勢していることが好ましい。

これにより、配線基板を保持部材および伝熱部材に密着させることができ、これらの間の熱の伝導を安定的に行うことができる。

本適用例の原子発振器では、前記配線基板に配置されている温度センサーを含むことが好ましい。

伝熱部材により原子セルと配線基板との温度差が低減されているため、配線基板に配置されている温度センサーを用いることで、原子セルの温度を高精度に検出することができる。これにより、原子発振器の周波数特性を向上させることができる。

本適用例の原子発振器では、前記配線基板がフレキシブル配線基板であることが好ましい。

これにより、配線基板の熱容量を小さくすることができ、伝熱部材から配線への熱の伝導を効率的に行うことができる。

本適用例の原子発振器では、前記ヒーターおよび前記配線に熱的に接続され、前記原子セルおよび前記光検出素子を収容している容器を含み、前記容器は、前記光検出素子に対して前記原子セルとは反対側に配置されている部分を含むことが好ましい。
これにより、原子セル周辺の温度勾配をより低減することができる。

本適用例の原子発振器では、前記伝熱部材の構成材料の熱伝導率は、１０Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１以上であることが好ましい。
これにより、配線の光検出素子近傍部分を伝熱部材により好適に加熱することができる。

本適用例の信号生成システムは、本適用例の原子発振器と、前記原子発振器からの信号を処理する処理部と、を含む。

このような信号生成システムによれば、原子発振器の原子セル周辺の温度勾配を低減することで、信号生成システムの特性を向上させることができる。

本適用例の電子機器は、本適用例の原子発振器を含む。
このような電子機器によれば、原子発振器の原子セル周辺の温度勾配を低減することで、電子機器の特性を向上させることができる。

実施形態に係る原子発振器を示す概略図である。 実施形態に係る原子発振器の断面側面図（ＸＺ平面に沿った断面図）である。 実施形態に係る原子発振器の平面図（ＸＺ平面に沿った断面図）である。 実施形態に係る原子発振器が備える原子セルユニットのＸＹ平面に沿った断面図である。 実施形態に係る原子発振器が備える原子セルユニットのＸＺ平面に沿った断面図である。 実施形態に係る原子発振器が備える伝熱部材の固定状態を示す斜視図である。 ＧＰＳ（Global Positioning System）衛星を利用した測位システム（信号生成システムの一例）の概略構成を示す図である。

以下、本発明の原子発振器、信号生成システムおよび電子機器を添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。

１．原子発振器
図１は、実施形態に係る原子発振器を示す概略図である。

図１に示す原子発振器１は、アルカリ金属原子に対して特定の異なる波長の２つの共鳴光を同時に照射したときに当該２つの共鳴光がアルカリ金属原子に吸収されずに透過する現象が生じる量子干渉効果を利用した原子発振器である。なお、この量子干渉効果による現象は、ＣＰＴ（Coherent Population Trapping）現象または電磁誘起透明化（ＥＩＴ：Electromagnetically Induced Transparency）現象と言う。

この原子発振器１は、図１に示すように、発光素子モジュール１０と、原子セルユニット２０と、発光素子モジュール１０と原子セルユニット２０との間に設けられている光学系ユニット３０と、発光素子モジュール１０および原子セルユニット２０の作動を制御する制御ユニット５０と、を備える。以下、まず、原子発振器１の概略について説明する。

発光素子モジュール１０は、ペルチェ素子１０１と、発光素子１０２（光源部）と、温度センサー１０３と、を備える。発光素子１０２は、周波数の異なる２種の光を含んでいる直線偏光の光ＬＬを出射する。また、温度センサー１０３は、発光素子１０２の温度を検出する。また、ペルチェ素子１０１は、発光素子１０２の温度を調節（発光素子１０２を加温または冷却）する。

光学系ユニット３０は、減光フィルター３０１と、集光レンズ３０２（レンズ）と、１／４波長板３０３と、を備え、これらが光ＬＬの光軸ａに沿って並んでいる。減光フィルター３０１は、前述した発光素子１０２からの光ＬＬの強度を減少させる。また、集光レンズ３０２は、光ＬＬの放射角度を調整する（例えば光ＬＬを平行光に近づける）。また、１／４波長板３０３は、光ＬＬに含まれる周波数の異なる２種の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。

原子セルユニット２０は、原子セル２０１と、受光素子２０２（受光部）と、ヒーター２０３と、温度センサー２０４と、コイル２０５と、を備える。

原子セル２０１は、光ＬＬに対する透過性を有し、原子セル２０１内には、アルカリ金属が封入されている。アルカリ金属原子は、互いに異なる２つの基底準位と励起準位とからなる３準位系のエネルギー準位を有する。原子セル２０１には、発光素子１０２からの光ＬＬが減光フィルター３０１、集光レンズ３０２および１／４波長板３０３を介して入射する。そして、受光素子２０２は、原子セル２０１を通過した光ＬＬを受光し、その受光強度に応じた信号を出力する。

ヒーター２０３は、原子セル２０１内のアルカリ金属を加熱し、そのアルカリ金属の少なくとも一部を所望濃度のガス状態とする。また、温度センサー２０４は、原子セル２０１の温度を検出する。コイル２０５は、原子セル２０１内のアルカリ金属に所定方向の磁場を印加し、そのアルカリ金属原子のエネルギー準位をゼーマン***させる。このようにアルカリ金属原子がゼーマン***した状態において、前述したような円偏光の共鳴光対がアルカリ金属原子に照射されると、アルカリ金属原子がゼーマン***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（ＥＩＴ現象に伴って受光素子２０２の出力信号に現れる信号）が大きくなり、その結果、原子発振器１の発振特性（特に短期周波数安定度）を向上させることができる。

制御ユニット５０は、温度制御部５０１と、光源制御部５０２と、磁場制御部５０３と、温度制御部５０４と、を備える。温度制御部５０１は、温度センサー２０４の検出結果に基づいて、原子セル２０１内が所望の温度となるように、ヒーター２０３への通電を制御する。また、磁場制御部５０３は、コイル２０５が発生する磁場が一定となるように、コイル２０５への通電を制御する。また、温度制御部５０４は、温度センサー１０３の検出結果に基づいて、発光素子１０２の温度が所望の温度（温度領域内）となるように、ペルチェ素子１０１への通電を制御する。

光源制御部５０２は、受光素子２０２の検出結果に基づいて、ＥＩＴ現象が生じるように、発光素子１０２からの光ＬＬに含まれる２種の光の周波数を制御する。ここで、これら２種の光が原子セル２０１内のアルカリ金属原子の２つの基底準位間のエネルギー差に相当する周波数差の共鳴光対となったとき、ＥＩＴ現象が生じる。また、光源制御部５０２は、前述した２種の光の周波数の制御に同期して安定化するように発振周波数が制御される電圧制御型水晶発振器（図示せず）を備えており、この電圧制御型発振器（ＶＣＯ：Voltage controlled Oscillator）の出力信号を原子発振器１の出力信号（クロック信号）として出力する。

以上、原子発振器１の概略について説明した。以下、図２ないし図６に基づいて、原子発振器１のより具体的な構成について説明する。

図２は、実施形態に係る原子発振器の断面側面図（ＸＺ平面に沿った断面図）である。図３は、実施形態に係る原子発振器の平面図（ＸＺ平面に沿った断面図）である。図４は、実施形態に係る原子発振器が備える原子セルユニットのＸＹ平面に沿った断面図である。図５は、実施形態に係る原子発振器が備える原子セルユニットのＸＺ平面に沿った断面図である。図６は、実施形態に係る原子発振器が備える伝熱部材の固定状態を示す斜視図である。

以下では、説明の便宜上、互いに直交する３軸であるＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を用いて説明を行う。なお、本明細書において、Ｚ軸は、後述する支持部材４０の設置面４２に垂直な軸である。Ｘ軸は、発光素子モジュール１０から出射された光ＬＬに沿う軸である。言い換えると、Ｘ軸は、発光素子モジュール１０と原子セルユニット２０との配列方向に沿う軸である。Ｙ軸は、Ｘ軸およびＺ軸に垂直な軸である。

図２に示すように、原子発振器１は、発光素子モジュール１０と、原子セルユニット２０と、発光素子モジュール１０を保持している光学系ユニット３０と、原子セルユニット２０および光学系ユニット３０を一括して支持している支持部材４０と、発光素子モジュール１０および原子セルユニット２０に電気的に接続されている制御ユニット５０と、これらを収納しているパッケージ６０と、を備えている。

（発光素子モジュール）
発光素子モジュール１０は、ペルチェ素子１０１と、発光素子１０２と、温度センサー１０３と、これらを収納しているパッケージ１０４と、を有している。

パッケージ１０４は、図示しないが、互いに接合されているベースおよびリッドを有し、これらの間に、ペルチェ素子１０１、発光素子１０２および温度センサー１０３を収納している気密空間が形成されている。このようなパッケージ１０４内は、減圧（真空）状態であることが好ましい。これにより、パッケージ１０４の外部の温度変化がパッケージ１０４内の発光素子１０２や温度センサー１０３等に与える影響を低減し、パッケージ１０４内の発光素子１０２や温度センサー１０３等の温度変動を低減することができる。なお、パッケージ１０４内は、減圧状態でなくともよく、また、窒素、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガスが封入されていてもよい。

ここで、ベースは、例えば、絶縁性のセラミックス材料で構成されている。また、ベースの内表面には、ペルチェ素子１０１、発光素子１０２および温度センサー１０３に電気的に接続される複数の接続電極が設けられており、これらの接続電極は、それぞれ、ベースを貫通する貫通電極を介して、ベースの外表面に設けられた外部実装電極に電気的に接続されている。一方、リッドは、例えば、セラミックスと線膨張係数の近いコバールのような金属材料で構成されている。そして、リッドは、ベースに対して、例えば、シーム溶接等により接合されている。また、リッドには、発光素子１０２からの光ＬＬを透過する孔が設けられており、この孔は、ガラス材料等の光透過性の板状の部材により気密的に塞がれている。このようなパッケージ１０４のベースの内表面には、図示しないが、ペルチェ素子１０１が接着剤により固定されている。

ペルチェ素子１０１は、供給される電流の向きにより、発光素子１０２側が発熱側となる状態と、発光素子１０２側が吸熱側となる状態と、を切り換えることができる。そのため、環境温度の範囲が広くても、発光素子１０２等を所望の温度（目標温度）に温度調節することができる。これにより、温度変化による悪影響（例えば光ＬＬの波長変動）をより低減することができる。ここで、発光素子１０２の目標温度は、発光素子１０２の特性に応じて決められるものであり、特に限定されないが、例えば、３０℃以上４０℃以下程度である。このようなペルチェ素子１０１上には、発光素子１０２および温度センサー１０３が設置されている。

発光素子１０２は、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である。半導体レーザーは、直流バイアス電流に高周波信号を重畳して（変調を掛けて）用いることにより、波長の異なる２種の光を出射させることができる。本実施形態では、発光素子１０２から出射する光は、直線偏光している。また、温度センサー１０３は、例えば、サーミスタ、熱電対等の温度検出素子である。

（光学系ユニット）
図２に示すように、光学系ユニット３０は、減光フィルター３０１と、集光レンズ３０２と、１／４波長板３０３と、これらを保持しているホルダー３０４と、を有している。ここで、ホルダー３０４は、両端が開口した貫通孔３０５を有する。この貫通孔３０５は、光ＬＬの通過領域であり、貫通孔３０５内には、減光フィルター３０１、集光レンズ３０２および１／４波長板３０３がこの順で光ＬＬの光軸ａに沿って並んで配置されている。図３に示すように、減光フィルター３０１、集光レンズ３０２および１／４波長板３０３は、それぞれ、図示しない接着剤等によりホルダー３０４に対して固定されている。このようなホルダー３０４は、例えば、アルミニウム等の金属材料で構成されており、放熱性を有する。

前述したように、減光フィルター３０１は、前述した発光素子１０２からの光ＬＬの強度を減少させる機能を有する。減光フィルター３０１としては、特に限定されず、吸収型または反射型のいずれであってもよい。また、集光レンズ３０２は、光ＬＬの放射角度を調整する（例えば光ＬＬを平行光に近づける）機能を有する。これにより、原子セル２０１内において光ＬＬのパワー密度が進行方向で変化するのを低減し、ＥＩＴ信号の線幅の拡がりを抑制することができる。その結果、原子発振器１の発振特性（特に短期周波数安定度）を向上させることができる。また、１／４波長板３０３は、光ＬＬに含まれる周波数の異なる２種の光を直線偏光から円偏光（右円偏光または左円偏光）に変換する機能を有する。これにより、コイル２０５からの磁界との相互作用により、ＥＩＴ信号の強度を大きくすることができる。

なお、光学系ユニット３０は、発光素子１０２からの光ＬＬの強度等によっては、減光フィルター３０１を省略することができる。また、光学系ユニット３０は、減光フィルター３０１、集光レンズ３０２および１／４波長板３０３以外の光学素子を有していてもよい。また、減光フィルター３０１、集光レンズ３０２および１／４波長板３０３の配置順は、図示の順に限定されず、任意である。また、減光フィルター３０１、集光レンズ３０２および１／４波長板３０３のそれぞれの姿勢は、任意である。

（原子セルユニット）
原子セルユニット２０は、前述したように、原子セル２０１と、受光素子２０２と、ヒーター２０３と、温度センサー２０４と、コイル２０５と、を備える。また、これらの他に、原子セルユニット２０は、図４に示すように、原子セル２０１を保持している保持部材２０６と、保持部材２０６に固定されている伝熱部材２１０と、原子セル２０１、受光素子２０２、温度センサー２０４、コイル２０５、保持部材２０６および伝熱部材２１０を収納している第１容器２０７と、第１容器２０７を収納している第２容器２０８と、第１容器２０７と第２容器２０８との間に配置されている複数のスペーサー２０９と、を備える。

原子セル２０１内には、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。また、原子セル２０１内には、必要に応じて、アルゴン、ネオン等の希ガス、窒素等の不活性ガスが緩衝ガスとしてアルカリ金属ガスとともに封入されていてもよい。

原子セル２０１は、２つの柱状の貫通孔を有する胴体部２０１ａと、その胴体部２０１ａに接合されている１対の窓部２０１ｂ、２０１ｃと、を有し、これらにより気密封止された内部空間Ｓを形成している。

本実施形態では、内部空間Ｓは、光ＬＬが通過する空間Ｓ１と、空間Ｓ１に連通し、図示しない固体または液体のアルカリ金属を収納している空間Ｓ２と、を有する。ここで、一方の窓部２０１ｂには、空間Ｓ１へ入射する光ＬＬが透過し、他方の窓部２０１ｃには、空間Ｓ１から出射した光ＬＬが透過する。なお、内部空間Ｓは、前述したような空間Ｓ１、Ｓ２を有する形態に限定されず、例えば、空間Ｓ２を省略した形態であってもよい。

各窓部２０１ｂ、２０１ｃの構成材料としては、光ＬＬに対する透過性を有していればよく、特に限定されないが、例えば、ガラス材料、水晶等が挙げられる。一方、胴体部２０１ａの構成材料としては、特に限定されず、金属材料、ガラス材料、シリコン材料、水晶等が挙げられるが、加工性や各窓部２０１ｂ、２０１３ｃの接合の観点から、ガラス材料、シリコン材料を用いるのが好ましい。また、胴体部２０１ａと各窓部２０１ｂ、２０１ｃとの接合方法としては、これらの構成材料に応じて決められるものであり、特に限定されないが、例えば、直接接合法、陽極接合法、溶融接合法、オプティカル接合法等を用いることができる。

図４に示すように、保持部材２０６は、光ＬＬの通過領域を避けつつ原子セル２０１の外表面を覆うように設けられている２つのブロック２０６ａ、２０６ｂで構成されている。ここで、２つのブロック２０６ａ、２０６ｂは、それぞれ、熱伝導率が１０Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１以上であり、かつ、コイル２０５から原子セル２０１への磁界を阻害しない材料、例えば、アルミニウム等の非磁性の金属材料で構成されている。また、保持部材２０６には、原子セル２０１に入射する光ＬＬが通過する開口部２０６ｃと、原子セル２０１から出射した光ＬＬが通過する開口部２０６ｄと、が設けられている。なお、以下では、１０Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１以上であることを、「熱伝導性に優れた」「熱伝導性が良い」等と表現する場合がある。

ブロック２０６ａ（保持部材２０６の一部）は、原子セル２０１の外表面の空間Ｓ１側の部分に熱的に接続されている。具体的には、ブロック２０６ａは、原子セル２０１の外表面の空間Ｓ１側の部分に対して、接触しているか、または、熱伝導性に優れた部材（金属等）を介して接続されている。そして、ブロック２０６ａ（保持部材２０６の一部）は、第１容器２０７を介してヒーター２０３に熱的に接続されている。これにより、ヒーター２０３からの熱により原子セル２０１（より具体的には空間Ｓ１）を加熱することができる。また、このように、原子セル２０１とヒーター２０３との間にブロック２０６ａを介在させることで、原子セル２０１とヒーター２０３との間の距離を大きくし、ヒーター２０３への通電により生じた不要磁場が原子セル２０１内のアルカリ金属原子に悪影響を与えるのを抑制することができる。また、原子セル２０１にヒーターを接触させる構成に比べて、ヒーターの数を少なくすることができるという利点もある。

一方、ブロック２０６ｂは、原子セル２０１の外表面の空間Ｓ２側の部分に熱的に接続されている。具体的には、ブロック２０６ｂは、原子セル２０１の外表面の空間Ｓ２側の部分に対して、接触しているか、または、熱伝導性に優れた部材（金属等）を介して接続されている。そして、ブロック２０６ｂは、ブロック２０６ａに対して離間している。そのため、ブロック２０６ｂは、ブロック２０６ａに比べて、ヒーター２０３からの熱が伝わりにくくなっている。これにより、空間Ｓ２の温度を空間Ｓ１の温度よりも低くすることができる。そのため、空間Ｓ２に固体または液体のアルカリ金属を安定的に存在させることができる。

なお、ブロック２０６ａ、２０６ｂの形状は、空間Ｓ１への光ＬＬの通過を許容しつつヒーター２０３からの熱を空間Ｓ１に伝達することができればよく、図示の形状に限定されない。また、保持部材２０６は、ブロック２０６ａ、２０６ｂが一体化してもよいし、ブロック２０６ａ、２０６ｂがそれぞれ複数の部材で構成されていてもよい。

このような保持部材２０６の外周には、中心軸が光ＬＬの光軸ａに沿うように巻回されたコイル２０５が配置されている。コイル２０５は、ソレノイド型のコイル、または、ヘルムホルツ型の１対のコイルである。このコイル２０５は、原子セル２０１内に光ＬＬの光軸ａに沿った方向（平行な方向）の磁場を発生させる。これにより、原子セル２０１内のアルカリ金属原子の縮退している異なるエネルギー準位間のギャップをゼーマン***により拡げて、分解能を向上させ、ＥＩＴ信号の線幅を小さくすることができる。なお、コイル２０５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、保持部材２０６の開口部２０６ｄ内には、受光素子２０２および温度センサー２０４が配置されている。受光素子２０２としては、原子セル２０１内を透過した光ＬＬ（共鳴光対）の強度を検出し得るものであれば、特に限定されないが、例えば、フォトダイオード等の光検出器（受光素子）が挙げられる。温度センサー２０４としては、原子セル２０１またはヒーター２０３の温度を検出することができれば、特に限定されないが、例えば、サーミスタ、熱電対等の公知の各種温度センサーが挙げられる。

ここで、受光素子２０２および温度センサー２０４は、後述するフレキシブル配線基板５０８ｂ上に配置されている。このフレキシブル配線基板５０８ｂは、受光素子２０２および温度センサー２０４に電気的に接続されている配線５１０を有しており、保持部材２０６と伝熱部材２１０との間に挟まれることで、保持部材２０６に対して固定されている。これにより、受光素子２０２および温度センサー２０４を原子セル２０１に対して位置決めすることができる。

伝熱部材２１０は、熱伝導性を有し、保持部材２０６およびフレキシブル配線基板５０８ｂ（配線５１０）に対して熱的に接続されている。そして、伝熱部材２１０は、保持部材２０６を介してヒーター２０３とも熱的に接続されている。これにより、伝熱部材２１０が保持部材２０６からの熱をフレキシブル配線基板５０８ｂ（配線５１０）および受光素子２０２に伝導することができる。本実施形態では、図４および図５に示すように、伝熱部材２１０は、板状をなし、ＹＺ平面に沿って配置され、保持部材２０６のブロック２０６ａに対して、ネジ２１１を用いたネジ止めにより固定されている。また、図６に示すように、保持部材２０６には、伝熱部材２１０の外周部の一部が挿入される溝２０６ｆが設けられており、伝熱部材２１０の当該一部は、溝２０６ｆによりＸ軸方向での位置決めがなされている。また、伝熱部材２１０の厚さは、特に限定されないが、０．３ｍｍ以上であることが好ましい。

このように、ネジ２１１および溝２０６ｆを用いて伝熱部材２１０を保持部材２０６に対して固定することにより、接着剤のみで伝熱部材２１０を保持部材２０６に対して固定する場合のような経年劣化の問題がなく、伝熱部材２１０を保持部材２０６に対して長期にわたって安定的に固定することができる。また、保持部材２０６等に対するフレキシブル配線基板５０８ｂの接触状態を長期にわたって一定に保つことができる。そのため、ヒーター２０３から原子セル２０１への熱の伝導経路の経時的な変化を低減し、原子発振器１の経時的な特性変化を低減することもできる。ネジ２１１で伝熱部材２１０を固定すると、伝熱部材２１０は、フレキシブル配線基板５０８ｂを保持部材２０６に向かって付勢する。換言すると、伝熱部材２１０は、フレキシブル配線基板５０８ｂを保持部材２０６に押し付ける。そのため、フレキシブル配線基板５０８ｂが保持部材に密着しやすくなる。なお、伝熱部材２１０の形状は、図示の形状に限定されず、例えば、ブロック状をなしていてもよい。また、保持部材２０６に対する伝熱部材２１０の固定方法は、前述したネジ２１１および溝２０６ｆを用いた固定方法に限定されず、例えば、ネジまたは溝の数が複数であってもよいし、ネジ止めのみにより固定してもよいし、溝のみにより固定されていてもよい。また、ネジまたは溝による固定方法に接着剤による固定方法を併用してもよい。

ここで、伝熱部材２１０は、図４および図５に示すように、保持部材２０６の開口部２０６ｄをできるだけ塞ぐように設けられている。これにより、伝熱部材２１０が保持部材２０６と一体的に熱を伝導することができる。また、伝熱部材２１０は、光軸ａ方向から見たとき、受光素子２０２および温度センサー２０４に重なっている。これにより、伝熱部材２１０からの熱が受光素子２０２および温度センサー２０４に伝導されやすくなる。

このような伝熱部材２１０の構成材料としては、熱伝導性に優れ、かつ、コイル２０５から原子セル２０１への磁界を阻害しない材料、例えば、銅、アルミニウム等の非磁性の金属材料、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ：carbon fiber reinforced plastic）、シリカ等の熱伝導性のフィラーを添加した樹脂材料等が挙げられる。

伝熱部材２１０の構成材料の熱伝導率は、１０Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１以上であることが好ましく、２０Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１以上であることがより好ましく、１００Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１以上であることがさらに好ましい。これにより、配線５１０の受光素子２０２近傍部分を伝熱部材２１０により好適に加熱することができる。これに対し、かかる熱伝導率が小さすぎると、伝熱部材２１０に温度勾配が生じやすくなる傾向を示す。

前述したような原子セル２０１、受光素子２０２、温度センサー２０４、コイル２０５、保持部材２０６および伝熱部材２１０は、図４に示すように、第１容器２０７に収納されている。第１容器２０７は、保持部材２０６を介して原子セル２０１を支持しており、これにより、保持部材２０６を介して原子セル２０１に熱的に接続されている。また、第１容器２０７には、原子セル２０１（空間Ｓ１）に入射する光ＬＬの通過を許容する開口部２０７ａが設けられている。また、第１容器２０７は、前述した伝熱部材２１０に対して離間した状態で対向している部分２０７ｂを有する。なお、第１容器２０７は、伝熱部材２１０に対して接触していてもよい。

ここで、第１容器２０７の構成材料としては、熱伝導性に優れ、かつ、磁気シールド性を有する材料を用いることが好ましく、具体的には、鉄（Ｆｅ）、コバール、パーマロイ（Ｎｉ合金）、ステンレス鋼等の鉄系合金等を用いることが好ましい。第１容器２０７が優れた熱伝導性を有することで、ヒーター２０３からの熱を効率的に保持部材２０６に伝導することができる。また、第１容器２０７の温度分布の均一化を図ることができ、原子セル２０１周辺の温度勾配を低減することもできる。さらに、第１容器２０７が磁気シールド性を有することで、外部磁場により第１容器２０７内（特に原子セル２０１内）の磁場が変動するのを低減することができる。

このような第１容器２０７は、図４に示すように、第２容器２０８に収納されている。第２容器２０８は、複数のスペーサー２０９を介して第１容器２０７を支持しており、これにより、第１容器２０７に対して離間している。これにより、第１容器２０７と第２容器２０８との間に隙間が形成され、当該隙間が断熱層として機能するため、第１容器２０７と第２容器２０８との間の熱の移動を低減することができる。ここで、各スペーサー２０９は、断熱性を有する材料、例えば、ポリイミド系樹脂、アクリル系樹脂等の樹脂材料で構成されていることが好ましい。これにより、スペーサー２０９を介した第１容器２０７と第２容器２０８との間の熱の移動を低減することができる。また、第２容器２０８には、原子セル２０１（空間Ｓ１）に入射する光ＬＬの通過を許容する開口部２０８ａが設けられている。

ここで、第２容器２０８の構成材料としては、前述した第１容器２０７と同様、熱伝導性に優れ、かつ、磁気シールド性を有する材料を用いることが好ましく、具体的には、鉄（Ｆｅ）、コバール、パーマロイ（Ｎｉ合金）、ステンレス鋼等の鉄系合金等を用いることが好ましい。これにより、外部磁場により第２容器２０８内（特に原子セル２０１内）の磁場が変動するのを低減することができる。

また、第２容器２０８には、ヒーター２０３が設置されており、このヒーター２０３は、第１容器２０７の外表面に熱的に接続している。このヒーター２０３としては、原子セル２０１（より具体的には原子セル２０１内のアルカリ金属）を加熱することができれば、特に限定されないが、例えば、発熱抵抗体を有する各種ヒーター、ペルチェ素子等が挙げられる。

（支持部材）
ここで、図２に戻り、支持部材４０は、板状をなし、その一方の面上には、前述した原子セルユニット２０および光学系ユニット３０が載置されている。この支持部材４０は、光学系ユニット３０のホルダー３０４の下面の形状に沿った設置面４０１を有する。この設置面４０１には、段差部４０２が形成されている。この段差部４０２は、ホルダー３０４の下面の段差部と係合（当接）して、ホルダー３０４が原子セルユニット２０側（図２中右側）へ移動するのを規制する。同様に、支持部材４０は、原子セルユニット２０の第２容器２０８の下面の形状に沿った設置面４０３を有する。この設置面４０３には、段差部４０４が形成されている。この段差部４０４は、第２容器２０８の端面（図２中左側の端面）と係合（当接）して、第２容器２０８が光学系ユニット３０側（図２中左側）へ移動するのを規制する。

このように、支持部材４０により原子セルユニット２０および光学系ユニット３０の相対的な位置関係を規定することができる。そして、発光素子モジュール１０がホルダー３０４に対して固定されているため、原子セルユニット２０および光学系ユニット３０に対する発光素子モジュール１０の相対的な位置関係も規定されることとなる。ここで、第２容器２０８およびホルダー３０４は、それぞれ、図示しないネジ等の固定部材により、支持部材４０に対して固定されている。また、支持部材４０は、図示しないネジ等の固定部材により、パッケージ６０に対して固定されている。また、支持部材４０は、例えば、アルミニウム等の金属材料で構成されており、放熱性を有する。これにより、発光素子モジュール１０の放熱を効率的に行うことができる。

（制御ユニット）
図３に示すように、制御ユニット５０は、回路基板５０５と、回路基板５０５上に設けられている２つのコネクター５０６ａ、５０６ｂと、コネクター５０６ａと発光素子モジュール１０とを接続しているフレキシブル配線基板５０８ａと、コネクター５０６ｂと原子セルユニット２０とを接続しているフレキシブル配線基板５０８ｂと、回路基板５０５を貫通している複数のリードピン５０９と、を有する。

ここで、回路基板５０５には、図示しない電気回路が設けられ、この電気回路が前述した温度制御部５０１、光源制御部５０２、磁場制御部５０３および温度制御部５０４として機能する。また、回路基板５０５は、前述した支持部材４０が挿通されている貫通孔５０５１を有する。また、回路基板５０５は、複数のリードピン５０９を介してパッケージ６０に対して支持されている。複数のリードピン５０９は、それぞれ、パッケージ６０の内外を貫通しており、回路基板５０５に電気的に接続されている。

なお、回路基板５０５と発光素子モジュール１０とを電気的に接続する構成、および、回路基板５０５と原子セルユニット２０とを電気的に接続する構成は、図示のコネクター５０６ａ、５０６ｂおよびフレキシブル配線基板５０８ａ、５０８ｂに限定されず、それぞれ、他の公知のコネクターおよび配線であってもよい。

パッケージ６０は、前述した第１容器２０７および第２容器２０８と同様、コバール等の磁気シールド性を有する金属材料で構成されていることが好ましい。これにより、外部磁場が原子発振器１の特性に悪影響を与えるのを低減することができる。なお、パッケージ６０内は、減圧されていてもよいし、大気圧であってもよいが、気密空間であることが好ましい。

以上のように、原子発振器１は、アルカリ金属原子が封入されている原子セル２０１と、原子セル２０１内のアルカリ金属原子を励起する光ＬＬを出射する光源である発光素子１０２と、原子セル２０１を透過した光ＬＬを検出する光検出素子である受光素子２０２と、受光素子２０２に接続されている配線５１０と、原子セル２０１を加熱するヒーター２０３と、受光素子２０２に対して原子セル２０１とは反対側（＋Ｘ軸方向側）に配置され、ヒーター２０３および配線５１０に熱的に接続されている伝熱部材２１０と、を含む。

このような原子発振器１によれば、ヒーター２０３および配線５１０に熱的に接続されている伝熱部材２１０が受光素子２０２に対して原子セル２０１とは反対側に配置されているため、伝熱部材２１０を介したヒーター２０３からの熱により受光素子２０２または配線５１０を原子セル２０１と同様に好適に温度調節（加熱）することができる。そのため、原子セル２０１が配線５１０を通じた熱の移動による外部の温度の影響を受け難く、原子セル２０１周辺の温度勾配を低減することができる。このように原子セル２０１周辺の温度勾配を低減することで、原子セル２０１内を安定的に所望の温度分布とすることができ、その結果、原子発振器１の短期周波数安定度を向上させることができる。また、外部の温度変化の影響を受け難くなることから、原子発振器１の周波数温度特性を向上させることもできる。

前述したように、原子発振器１は、原子セル２０１を保持している保持部材２０６を備え、ヒーター２０３は、保持部材２０６を介して原子セル２０１および伝熱部材２１０に熱的に接続されている。これにより、ヒーター２０３の数を少なくしたり、ヒーター２０３の設置に関して設計の自由度を高めたりすることができる。

前述したように、伝熱部材２１０は、保持部材２０６に固定（本実施形態ではネジ２１１によりネジ止め）されている。ここで、保持部材２０６の熱伝導率は、原子セル２０１の熱伝導率よりも大きいことが好ましい。これにより、ヒーター２０３からの熱を保持部材２０６を介して原子セル２０１および伝熱部材２１０に効率的に伝導することができる。

また、原子発振器１は、前述したように、受光素子２０２（検出素子）が配置され、配線５１０が設けられている配線基板であるフレキシブル配線基板５０８ｂを含み、伝熱部材２１０は、フレキシブル配線基板５０８ｂを保持部材２０６に向かって付勢している。これにより、フレキシブル配線基板５０８ｂを保持部材２０６および伝熱部材２１０に密着させることができ、これらの間の熱の伝導を安定的に行うことができる。ここで、フレキシブル配線基板５０８ｂは、一般的なリジッド配線基板に比べて、熱容量を小さくすることができる。そのため、伝熱部材２１０から配線５１０への熱の伝導を効率的に行うことができる。

なお、フレキシブル配線基板５０８ｂに代えてリジッド配線基板を用いてもよく、この場合、できるだけ熱伝導性に優れる基板を用いることが好ましい。熱伝導性に優れるリジッド配線基板としては、例えば、基材に金属を用いた基板、熱伝導性フィラーを用いた基板、厚さ方向に貫通した熱伝導用の導体ポストを有する基板等が挙げられる。

さらに、原子発振器１は、フレキシブル配線基板５０８ｂ（配線基板）に配置されている温度センサー２０４を含む。これにより、伝熱部材２１０により原子セル２０１とフレキシブル配線基板５０８ｂとの温度差が低減されているため、フレキシブル配線基板５０８ｂに配置されている温度センサー２０４を用いることで、原子セル２０１の温度を高精度に検出することができる。これにより、原子発振器１の周波数特性を向上させることができる。

また、原子発振器１は、ヒーター２０３および配線５１０に熱的に接続され、原子セル２０１および受光素子２０２（光検出素子）を収容している容器である第１容器２０７を含み、第１容器２０７は、受光素子２０２に対して原子セル２０１とは反対側に配置されている部分２０７ｂを含む。これにより、この部分２０７ｂが伝熱部材２１０と同様に機能し、原子セル２０１周辺の温度勾配をより低減することができる。

２．信号生成システム
以上説明したような原子発振器１は、各種電子機器に組み込むことができる。以下、そのような電子機器を備える信号生成システムの実施形態について説明する。

図７は、ＧＰＳ衛星を利用した測位システム（信号生成システムの一例）の概略構成を示す図である。

図７に示す測位システム１１００（信号生成システムの一例）は、ＧＰＳ衛星１２００と、基地局装置１３００と、ＧＰＳ受信装置１４００とで構成されている。
ＧＰＳ衛星１２００は、測位情報（ＧＰＳ信号）を送信する。

基地局装置１３００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１３０１を介してＧＰＳ衛星１２００からの測位情報を高精度に受信する受信装置１３０２と、この受信装置１３０２で受信した測位情報をアンテナ１３０３を介して送信する送信装置１３０４とを備える。

ここで、受信装置１３０２は、その基準周波数発振源である原子発振器１と、原子発振器１からの信号を処理する処理部１３０２ａと、を備える。また、受信装置１３０２で受信された測位情報は、リアルタイムで送信装置１３０４により送信される。

このように、電子機器である受信装置１３０２は、原子発振器１を含む。このような受信装置１３０２によれば、原子発振器１の原子セル２０１周辺の温度勾配を低減することで、受信装置１３０２の特性を向上させることができる。

ＧＰＳ受信装置１４００は、ＧＰＳ衛星１２００からの測位情報をアンテナ１４０１を介して受信する衛星受信部１４０２と、基地局装置１３００からの測位情報をアンテナ１４０３を介して受信する基地局受信部１４０４とを備える。

以上のように、信号生成システムである測位システム１１００は、原子発振器１と、原子発振器１からの信号を処理する処理部１３０２ａと、を含む。このような測位システム１１００によれば、原子発振器１の原子セル２０１周辺の温度勾配を低減することで、測位システム１１００の特性を向上させることができる。

なお、電子機器は、前述したものに限定されず、例えば、スマートフォン、タブレット端末、時計、携帯電話機、ディジタルスチルカメラ、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（Point of Sales）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、地上デジタル放送、携帯電話基地局等に適用することができる。また、信号生成システムは、原子発振器からの信号を処理して信号を生成するシステムであればよく、前述したものに限定されず、例えば、クロック伝送システム等であってもよい。

以上、本発明の原子発振器、信号生成システムおよび電子機器について、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い。

また、本発明の各部の構成は、前述した実施形態の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。

前述した実施形態では、量子干渉効果を利用した原子発振器に本発明を適用した場合を例に説明したが、本発明は、これに限定されず、二重共鳴現象を利用した原子発振器にも適用可能であり、この場合、光源としては、半導体レーザーに限定されず、例えば、発光ダイオード、アルカリ金属を封入したランプ等を用いることができる。

１…原子発振器、１０…発光素子モジュール、２０…原子セルユニット、３０…光学系ユニット、４０…支持部材、５０…制御ユニット、６０…パッケージ、１０１…ペルチェ素子、１０２…発光素子（光源）、１０３…温度センサー、１０４…パッケージ、２０１…原子セル、２０１ａ…胴体部、２０１ｂ…窓部、２０１ｃ…窓部、２０２…受光素子（光検出素子）、２０３…ヒーター、２０４…温度センサー、２０５…コイル、２０６…保持部材、２０６ａ…ブロック、２０６ｂ…ブロック、２０６ｃ…開口部、２０６ｄ…開口部、２０６ｆ…溝、２０７…第１容器、２０７ａ…開口部、２０７ｂ…部分、２０８…第２容器、２０８ａ…開口部、２０９…スペーサー、２１０…伝熱部材、２１１…ネジ、３０１…減光フィルター、３０２…集光レンズ、３０３…４波長板、３０４…ホルダー、３０５…貫通孔、４０１…設置面、４０２…段差部、４０３…設置面、４０４…段差部、５０１…温度制御部、５０２…光源制御部、５０３…磁場制御部、５０４…温度制御部、５０５…回路基板、５０６ａ…コネクター、５０６ｂ…コネクター、５０８ａ…フレキシブル配線基板、５０８ｂ…フレキシブル配線基板（配線基板）、５０９…リードピン、５１０…配線、１１００…測位システム、１２００…ＧＰＳ衛星、１３００…基地局装置、１３０１…アンテナ、１３０２…受信装置、１３０２ａ…処理部、１３０３…アンテナ、１３０４…送信装置、１４００…ＧＰＳ受信装置、１４０１…アンテナ、１４０２…衛星受信部、１４０３…アンテナ、１４０４…基地局受信部、２０１３ｃ…窓部、５０５１…貫通孔、ＬＬ…光、Ｓ…内部空間、Ｓ１…空間、Ｓ２…空間、ａ…光軸

Claims (10)

1. アルカリ金属原子が封入されている原子セルと、
   前記アルカリ金属原子を励起する光を出射する光源と、
   前記原子セルを透過した前記光を検出する光検出素子と、
   前記光検出素子に接続されている配線と、
   前記原子セルを加熱するヒーターと、
   前記光検出素子に対して前記原子セルとは反対側に配置され、前記ヒーターおよび前記配線に熱的に接続されている伝熱部材と、を含む、原子発振器。
2. 前記原子セルを保持している保持部材を備え、
   前記ヒーターは、前記保持部材を介して前記原子セルおよび前記伝熱部材に熱的に接続されている、請求項１に記載の原子発振器。
3. 前記保持部材の熱伝導率は、前記原子セルの熱伝導率よりも大きく、
   前記伝熱部材は、前記保持部材に固定されている、請求項２に記載の原子発振器。
4. 前記光検出素子が配置され、前記配線が設けられている配線基板を含み、
   前記伝熱部材は、前記配線基板を前記保持部材に向かって付勢している、請求項２または３に記載の原子発振器。
5. 前記配線基板に配置されている温度センサーを含む、請求項４に記載の原子発振器。
6. 前記配線基板がフレキシブル配線基板である、請求項４または５に記載の原子発振器。
7. 前記ヒーターおよび前記配線に熱的に接続され、前記原子セルおよび前記光検出素子を収容している容器を含み、
   前記容器は、前記光検出素子に対して前記原子セルとは反対側に配置されている部分を含む、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の原子発振器。
8. 前記伝熱部材の構成材料の熱伝導率は、１０Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１以上である、請求項１ないし７のいずれか１項に記載の原子発振器。
9. 請求項１ないし８のいずれか１項に記載の原子発振器と、
   前記原子発振器からの信号を処理する処理部と、を含む、信号生成システム。
10. 請求項１ないし８のいずれか１項に記載の原子発振器を含む、電子機器。

Images