JP6308037B2 - ヒーター基板、アルカリ金属セルユニット及び原子発振器 - Google Patents
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Description
本発明は、ヒーター基板、アルカリ金属セルユニット及び原子発振器に関する。
極めて正確な時間を計る時計として原子時計（原子発振器）があり、この原子時計を小型化する技術等の検討がなされている。原子時計とは、アルカリ金属等の原子を構成している電子の遷移エネルギー量を基準とする発振器であり、特に、アルカリ金属の原子における電子の遷移エネルギーは外乱がない状態では、非常に精密な値が得られるため、水晶発振器に比べて、数桁高い周波数安定性を得ることができる。
このような原子時計には、幾つかの方式があるが、中でも、ＣＰＴ（Coherent Population Trapping）方式の原子時計は、従来の水晶発振器に比べて周波数安定性が３桁程度高く、また、超小型、超低消費電力を望むことができる（非特許文献１、２）。
ＣＰＴ方式の原子時計では、図１に示すように、レーザ素子等の光源９１０と、アルカリ金属を封入したアルカリ金属セル９４０と、アルカリ金属セル９４０を透過したレーザ光を受光する光検出器９５０とを有しており、レーザ光は変調され、特定波長である搬送波の両側に出現するサイドバンド波長により、アルカリ金属原子における電子の２つの遷移を同時に行い、励起する。この遷移における遷移エネルギーは不変であり、レーザ光のサイドバンド波長と遷移エネルギーに対応する波長とが一致したときに、アルカリ金属における光の吸収率が低下する透明化現象が生じる。このように、アルカリ金属による光の吸収率が低下するように、搬送波の波長を調整するとともに、光検出器９５０において検出された信号を変調器９６０にフィードバックし、変調器９６０によりレーザ素子等の光源９１０からのレーザ光の変調周波数を調整することを特徴とした原子時計である。尚、レーザ光は、光源９１０より発せられ、コリメートレンズ９２０及びλ／４板９３０を介し、アルカリ金属セル９４０に照射される。
このような超小型の原子時計におけるアルカリ金属セルとして、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いて生産する方法が開示されている（特許文献１〜４）。これらに開示されている方法では、最初に、フォトリソグラフィ技術とエッチング技術によりＳｉ基板に開口部を形成した後、陽極接合によりガラスとＳｉ基板とを接着する。陽極接合は、２００℃〜４５０℃の温度で、ガラスとＳｉ基板との界面に２５０Ｖ〜１０００Ｖ程度の電圧を印加することにより行なわれる。この後、アルカリ金属とバッファガスを入れて、上面となる開口部分にガラスを陽極接合により接着することにより封止する。このようにして形成されたものをセルごとに切り出すことにより、アルカリ金属セルが形成される。
このようなアルカリ金属セルは、アルカリ金属ガスセルとも呼ばれており、封入したアルカリ金属とバッファガスをガス状にするために、ガスセルを所定温度に加熱されている。例えば、原子時計内のアルカリ金属セルの表面上にＩＴＯ（Indium Tin Oxide）等の透明導電膜で構成された発熱体が設けられており、この発熱体に電流を流すことにより発熱させている。このように、アルカリ金属セルに発熱体が設けられているものを、本願においては、アルカリ金属セルユニットと記載する場合がある。
原子発振器では、アルカリ金属セル内の温度が一定となるように、絶えずフィードバック制御されており、そのため外気温が変化した場合、発熱体に流れる電流も変化してしまう。このように発熱体に流れる電流が変化すると発熱体から生じる磁場も変化してしまう。発生した磁場はアルカリ金属セル内の金属原子の基底準位間エネルギー差に相当する周波数が変動し出力周波数がずれてしまうという不具合を起こす。従って、原子時計ではヒーターから発生する不要な磁場を極力抑えることが好ましい。
このようなヒーターから発生する不要磁場を無くす技術としては、特許文献５においては、ヒーターをＩＴＯ等により蛇行パターンとなるように形成する方法が開示されている。また、特許文献６においては、ヒーターを金属材料等により巻線パターンとなるように形成する方法が開示されている。
特許文献５に開示されている方法及び特許文献６に開示されている方法では、蛇行パターンまたは巻線パターンにより配線が形成されており、隣り合う配線に流れる電流の向きを相互に逆方向にすることにより、発生する磁場を相殺し、弱めることができる。ここで、特許文献５に開示されている方法では、抵抗の高いＩＴＯ等の透明な導電性材料を用いることが必要となるため、ヒーターを形成するための材料選択の幅が狭い。これに対し、特許文献６に開示されている方法では、ヒーターを形成する材料に抵抗の低い金属材料を用いることができる。
ところで、原子発振器は高い精度が求められており、ヒーターに電流を流すことにより生じる磁場は、小さいほど好ましい。しかしながら、特許文献６に記載されている方法では、ヒーターに電流を流すことにより生じる磁場を小さくすることに限界があり、十分に小さくすることはできなかった。
よって、本発明は、ヒーターに電流を流すことにより生じる磁場の小さいヒーター基板を提供することを目的とするものである。
本実施の形態の一観点によれば、アルカリ金属が封入されているアルカリ金属セルを加熱するヒーター基板であって、前記ヒーター基板には、アルカリ金属が封入されているアルカリ金属封入部の周囲となる領域に、第１のヒーター配線、第２のヒーター配線、第３のヒーター配線が設けられており、前記第１のヒーター配線は、前記第２のヒーター配線と前記第３のヒーター配線との間に設けられており、前記第２のヒーター配線は、前記アルカリ金属封入部と前記第１のヒーター配線との間に設けられており、前記第１のヒーター配線に流れる電流は、前記第２のヒーター配線に流れる電流と、前記第３のヒーター配線に流れる電流に分岐されており、前記第１のヒーター配線に流れる電流の向きと、前記第２のヒーター配線及び前記第３のヒーター配線に流れる電流の向きは、互いに逆方向であることを特徴とする。
本発明によれば、ヒーターに電流を流すことにより生じる磁場が小さいヒーター基板を提供することができる。
本発明を実施するための形態について、以下に説明する。尚、同じ部材等については、同一の符号を付して説明を省略する。
〔第１の実施の形態〕
最初に、特許文献６に記載されている方法において、ヒーターに電流を流すことにより生じる磁場を小さくすることに限界があることについて説明する。
最初に、特許文献６に記載されている方法において、ヒーターに電流を流すことにより生じる磁場を小さくすることに限界があることについて説明する。
図２に示される構造のヒーターは、アルカリ金属セルユニットに設けられているものであり、第１のヒーター配線９７１と第１のヒーター配線９７１の内側に第２のヒーター配線９７２が形成されている。第１のヒーター配線９７１及び第２のヒーター配線９７２は、アルカリ金属セルの光透過部の周囲において、ヒーターの中心点Ｐを中心に略円形に形成されている。具体的には、ヒーターの中心点Ｐを中心に半径ｒ１の円周上に、第１のヒーター配線９７１の中心が位置するように形成されており、ヒーターの中心点Ｐを中心に半径ｒ２の円周上に、第２のヒーター配線９７２の中心が位置するように形成されている。
第１のヒーター配線９７１の一方の端部には、第１の電極端子９８１が接続されており、第２のヒーター配線９７２の一方の端部には、第２の電極端子９８２が接続されている。第１のヒーター配線９７１の他方の端部と第２のヒーター配線９７２の他方の端部とはヒーター接続部９９０において接続されている。尚、第１のヒーター配線９７１、第２のヒーター配線９７２、ヒーター接続部９９０は、同一の導電性材料により形成されており、厚さが約２０．２μｍのカーボンペーストにより形成されている。また、第１の電極端子９８１及び第２の電極端子９８２は、厚さが約２８．４μｍの銀ペーストにより形成されている。また、第１の電極端子９８１及び第２の電極端子９８２は、不図示の電源と接続されている。
図２に示される構造のヒーターにおいて、不図示の電源の正極に、第１の電極端子９８１を接続し、負極に、第２の電極端子９８２を接続した場合について考える。この場合、電流は、第１の電極端子９８１より第１のヒーター配線９７１を反時計回りに略１周流れ、ヒーター接続部９９０を流れた後、第１のヒーター配線９７１の内側に設けられた第２のヒーター配線９７２に流れる。第２のヒーター配線９７２では、電流は時計回りに略１周流れ、この後、第２の電極端子９８２に流れる。
ここで、第１のヒーター配線９７１からの距離と、第２のヒーター配線９７２からの距離が略等しい場合には、第１のヒーター配線９７１に流れる電流により生じた磁界と、第２のヒーター配線９７２に流れる電流により生じた磁界は相殺される。これに対し、第１のヒーター配線９７１からの距離と、第２のヒーター配線９７２からの距離とが異なる場合には、第１のヒーター配線９７１に流れる電流により生じた磁界と、第２のヒーター配線９７２に流れる電流により生じた磁界は、完全には相殺されない。
例えば、ヒーターの中心点Ｐにおける磁場について考える。この場合、第１のヒーター配線９７１からの距離は半径ｒ１であり、第２のヒーター配線９７２からの距離は半径ｒ２であり、第１のヒーター配線９７１は、第２のヒーター配線９７２の外側であるため、ｒ１＞ｒ２となる。また、第１のヒーター配線９７１に流れる電流Ｉと、第２のヒーター配線９７２に流れる電流Ｉとは等しいため、ヒーターの中心点Ｐにおいては、短い半径ｒ２の第２のヒーター配線９７２を流れる電流により生じた磁界の影響を強く受ける。即ち、ヒーターの中心点Ｐでは、短い半径ｒ２の第２のヒーター配線９７２を流れる電流により生じた磁界は、長い半径ｒ１の第１のヒーター配線９７１を流れる電流により生じた磁界よりも強い。よって、第２のヒーター配線９７２を流れる電流により生じた磁界のうち相殺することのできない磁界が残存し、このように残存する磁界がアルカリ金属セルに影響を及ぼすのである。
このため、ヒーターが設けられた構造のアルカリ金属セルユニットにおいては、ヒーターの中心点Ｐにおける磁界が極めて小さいもの、即ち、極めて０に近いものが求められている。
より詳細に説明すると、図２に示される構造のヒーターは、不図示のアルカリ金属セルの光透過部の周囲に、第１のヒーター配線９７１と、第２のヒーター配線９７２が設けられている。このように設けられた第１のヒーター配線９７１と、第２のヒーター配線９７２とにおいて、逆方向に流れる電流Ｉを流すことにより、生じる磁界を相殺しようとするものである。
ここで、アルカリ金属セルの光透過部の周囲に、直径が約３ｍｍの第１のヒーター配線９７１と第２のヒーター配線９７２とが設けられている場合について考える。尚、ここでは、便宜上、第１のヒーター配線９７１と第２のヒーター配線９７２の直径は略同程度であるものとして説明する。また、第１のヒーター配線９７１及び第２のヒーター配線９７２の配線幅を５０μｍ、配線の厚さを２μｍとし、アルカリ金属セルに必要とされる電力を１００ｍＷとする。この場合、第１のヒーター配線９７１及び第２のヒーター配線９７２をＩＴＯ（ρ＝１．４８×１０−４（Ω・ｃｍ））により形成した場合、ヒーターの全体の抵抗値は、２７９Ωとなる。よって、電源電圧５Ｖの場合に供給される電力は、９０ｍＷと見積もられ、要求される１００ｍＷには到達しない。
一方、第１のヒーター配線９７１及び第２のヒーター配線９７２を白金（ρ＝１．０２×１０−５（Ω・ｃｍ））により形成した場合、ヒーターの全体の抵抗値は、１９Ωとなり、電源電圧５Ｖの場合に供給される電力は、１３００ｍＷと見積もられる。よって、要求される電力１００ｍＷを超える十分な電力を供給することができる。
以上のように、第１のヒーター配線９７１及び第２のヒーター配線９７２を形成する材料としては、金属材料が好ましい。金属材料は、抵抗率が低く供給電力能力を高くすることができ、電源電圧を下げることができるからであり、また、加工が容易であるため設計の自由度が高いからである。
ところで、第１のヒーター配線９７１及び第２のヒーター配線９７２からなるヒーターにように、空芯コイルパターンの中心磁束密度Ｂは、下記の数１に示される式より算出することができる。尚、μ０は真空の透磁率、ｒは半径、Ｉは電流である。
よって、隣接するヒーター配線である第１のヒーター配線９７１と第２のヒーター配線９７２とが逆方向となるように、電流を流しても、アルカリ金属セルの中心の磁場Ｂを完全に０にすることはできない。
尚、特許文献５に開示されているように、アルカリ金属セルの全面を覆うような構造の従来のヒーターの構成では、ヒーター配線の材料としては、光を透過する材料を使う必要があるため、ＩＴＯが一般的に使われている。しかしながら、ＩＴＯは硬く脆いため曲げると断線するなどの製造上の制限があること、製造条件で抵抗率がばらつきやすく、金属よりも抵抗率が高い等の理由により、ヒーター設計の自由度が低かった。
また、巻線タイプにおいては、不透明な金属配線が利用可能であるが、上述したように、形成した各配線は中心からの距離に差があるため、アルカリ金属セルの中心における磁束密度を完全に打ち消すことができなかった。
本実施の形態は、ヒーター配線を金属材料等により形成したものであって、かつ、電流が流れることにより生じる磁場を極めて低くすることのできるヒーター基板及びこのようなヒーター基板を有するアルカリ金属セルユニットを提供するものである。
（アルカリ金属セルユニットに設けられたヒーター基板）
次に、図３に基づき本実施の形態におけるアルカリ金属セルユニットに設けられたヒーター基板について説明する。
次に、図３に基づき本実施の形態におけるアルカリ金属セルユニットに設けられたヒーター基板について説明する。
本実施の形態におけるアルカリ金属セルユニットに設けられたヒーター基板には、第１のヒーター配線１１ａ及び１１ｂの内側に第２のヒーター配線１２が形成されており、第１のヒーター配線１１ａ及び１１ｂの外側に第３のヒーター配線１３が形成されている。第１のヒーター配線１１ａ及び１１ｂ、第２のヒーター配線１２、第３のヒーター配線１３は、ヒーターの中心点Ｐを中心に略円形に同心円状に形成されている。尚、第１のヒーター配線１１ａ及び１１ｂ、第２のヒーター配線１２、第３のヒーター配線１３は、アルカリ金属セルの光透過部となる領域の周囲に形成されている。本願においては、アルカリ金属セルの光透過部をアルカリ金属封入部と記載する場合がある。
具体的には、ヒーターの中心点Ｐを中心に半径ｒ１１の円周上に、第１のヒーター配線１１ａ及び１１ｂの中心が位置するように形成されている。また、ヒーターの中心点Ｐを中心に半径ｒ１２の円周上に、第２のヒーター配線１２の中心が位置するように形成されている。また、ヒーターの中心点Ｐを中心に半径ｒ１３の円周上に、第３のヒーター配線１３の中心が位置するように形成されている。尚、ｒ１３＞ｒ１１＞ｒ１２である。
本実施の形態においては、第１のヒーター配線１１ａ及び１１ｂは、略円形を２つに分けた略半円形の形状で形成されており、第２のヒーター配線１２及び第３のヒーター配線１３は、ともに略円形の形状で形成されている。本実施の形態においては、第１のヒーター配線１１ａを一方の第１のヒーター配線１１ａと記載し、第１のヒーター配線１１ｂを他方の第１のヒーター配線１１ｂと記載する場合がある。
一方の第１のヒーター配線１１ａの一方の端部には、第１の電極端子２１が設けられており、他方の第１のヒーター配線１１ｂの一方の端部には、第２の電極端子２２が設けられている。また、一方の第１のヒーター配線１１ａの他方の端部には、第１のヒーター接続部３１が設けられており、第１のヒーター接続部３１において、第２のヒーター配線１２及び第３のヒーター配線１３の一方の端部と接続されている。また、他方の第１のヒーター配線１１ｂの他方の端部には、第２のヒーター接続部３２が設けられており、第２のヒーター接続部３２において、第２のヒーター配線１２及び第３のヒーター配線１３の他方の端部と接続されている。
尚、本実施の形態においては、第１のヒーター配線１１ａ及び１１ｂ、第２のヒーター配線１２、第３のヒーター配線１３、第１のヒーター接続部３１、第２のヒーター接続部３２は、同一の導電性材料等により形成されている。例えば、厚さが約２０．２μｍのカーボンペーストにより形成されている。また、第１の電極端子２１及び第２の電極端子２２は、厚さが約２８．４μｍの銀ペーストにより形成されている。
また、一方の第１のヒーター配線１１ａと第１の電極端子２１とを接続する接続配線４１及び他方の第１のヒーター配線１１ｂと第２の電極端子２２とを接続する接続配線４２と、第３のヒーター配線１３とが交差部５０において交差している。このため、本実施の形態においては、交差部５０においては、第３のヒーター配線１３の上に、不図示の絶縁膜が設けられており、不図示の絶縁膜の上に接続配線４１及び接続配線４２が形成されている。よって、交差部５０においては、第３のヒーター配線１３と接続配線４１及び接続配線４２とは、電気的に絶縁されている。
図２に示される本実施の形態におけるアルカリ金属セルに設けられたヒーター基板において、不図示の電源の正極に、第１の電極端子２１を接続し、負極に、第２の電極端子２２を接続した場合について考える。この場合、第１の電極端子２１より一方の第１のヒーター配線１１ａを時計回りに、電流Ｉ１が略半周流れ、第１のヒーター接続部３１において、電流Ｉ１は第２のヒーター配線１２に流れる電流Ｉ２と第３のヒーター配線１３に流れる電流Ｉ３とに分岐される。第２のヒーター配線１２では、電流Ｉ２が反時計回りに略１周流れ、第３のヒーター配線１３では、電流Ｉ３が反時計回りに略１周流れ、第２のヒーター接続部３２において、電流Ｉ２と電流Ｉ３とが合流し、電流Ｉ１となる。第２のヒーター接続部３２において合流した電流Ｉ１は、他方の第１のヒーター配線１１ｂを時計回りに、略半周流れた後、第２の電極端子２２に流れる。
従って、半径ｒ１１の第１のヒーター配線１１ａ及び１１ｂを流れる電流Ｉ１により生じた磁場は、半径ｒ１２の第２のヒーター配線１２に流れる電流Ｉ２と半径ｒ１３の第３のヒーター配線１３に流れる電流Ｉ３により生じた磁場により相殺される。
ここで、半径ｒ１１の第１のヒーター配線１１ａ及び１１ｂの中心と半径ｒ１２の第２のヒーター配線１２の中心との間隔をＧ１とし、第１のヒーター配線１１ａ及び１１ｂの中心と半径ｒ１３の第３のヒーター配線１３の中心との間隔をＧ２とする。この場合、Ｇ１＝Ｇ２であってもよい。また、ヒーターの中心点Ｐにおける磁場が、０または極めて０に近い値となるように、Ｇ１とＧ２の値を設定してもよい。この場合、Ｇ１＞Ｇ２となる場合がある。
また、Ｇ１とＧ２とが略同じである場合、即ち、Ｇ１＝Ｇ２、または、Ｇ１≒Ｇ２である場合には、後述するように、Ｉ２＞Ｉ３であることが好ましい。尚、第２のヒーター配線１２に流れる電流Ｉ２と第３のヒーター配線１３に流れる電流Ｉ３との比率は、第２のヒーター配線１２における抵抗値と第３のヒーター配線１３における抵抗値とを異なる値とすることにより調整可能である。具体的には、第２のヒーター配線１２における配線幅と第３のヒーター配線１３における配線幅とを異なる幅にすることにより調整可能である。
（ヒーターに電流を流すことにより生じる磁界のシミュレーション）
次に、アルカリ金属セルユニットに形成されるヒーターにおいて、ヒーターに電流を流すことにより生じる磁界のシミュレーションを行なった結果について説明する。具体的には、図４に示される構造のヒーターと、図２に示される構造のヒーターと図３に示される本実施の形態におけるアルカリ金属セルユニットに用いられるヒーターについてシミュレーションを行なった。尚、図４に示される構造のヒーターは、１つのヒーター配線だけのヒーターであり、略円形のヒーター配線９７５の一方の端部に第１の電極端子９８１が設けられており、他方の端部に第２の電極端子９８２が設けられている構造のものである。よって、ヒーター配線に電流を流すことにより発生する磁界の影響が相殺されない構造のものである。行なったシミュレーションの条件は、いずれもヒーター配線の配線幅が０．８ｍｍであり、ヒーターに流れる電流が１０ｍＡである。
次に、アルカリ金属セルユニットに形成されるヒーターにおいて、ヒーターに電流を流すことにより生じる磁界のシミュレーションを行なった結果について説明する。具体的には、図４に示される構造のヒーターと、図２に示される構造のヒーターと図３に示される本実施の形態におけるアルカリ金属セルユニットに用いられるヒーターについてシミュレーションを行なった。尚、図４に示される構造のヒーターは、１つのヒーター配線だけのヒーターであり、略円形のヒーター配線９７５の一方の端部に第１の電極端子９８１が設けられており、他方の端部に第２の電極端子９８２が設けられている構造のものである。よって、ヒーター配線に電流を流すことにより発生する磁界の影響が相殺されない構造のものである。行なったシミュレーションの条件は、いずれもヒーター配線の配線幅が０．８ｍｍであり、ヒーターに流れる電流が１０ｍＡである。
図４に示す構造のヒーターでは、ヒーターの中心点Ｐを中心として、半径ｒ０が２．６６ｍｍとなる円周上にヒーター配線９７５の中心が位置するように形成されているものである。尚、ヒーター配線９７５は、厚さが約２０．２μｍのカーボンペーストにより形成されている。
また、図２に示す構造のヒーターでは、ヒーターの中心点Ｐを中心として、半径ｒ１が３．０２ｍｍとなる円周上に第１のヒーター配線９７１の中心が位置し、半径ｒ２が２．６６ｍｍとなる円周上に第２のヒーター配線９７２の中心が位置するように形成されている。よって、第１のヒーター配線９７１の中心と第２のヒーター配線９７２の中心との間隔は、０．３６ｍｍである。
また、図３に示す構造の本実施の形態におけるヒーターでは、ヒーターの中心点Ｐを中心として、半径ｒ１１が２．６６ｍｍとなる円周上に第１のヒーター配線１１ａ及び１１ｂの中心が位置するように形成されている。また、ヒーターの中心点Ｐを中心として、半径ｒ１２が２．３０ｍｍとなる円周上に第２のヒーター配線１２の中心が位置するように形成されており、半径ｒ１３が３．０２ｍｍとなる円周上に第３のヒーター配線１３の中心が位置するように形成されている。よって、第１のヒーター配線１１ａ及び１１ｂの中心と第２のヒーター配線１２の中心との間隔Ｇ１は、０．３６ｍｍであり、第１のヒーター配線１１ａ及び１１ｂの中心と第３のヒーター配線１３の中心との間隔Ｇ２は、０．３６ｍｍである。
下記における表１は、シミュレーションにおいて得られたヒーターの中心点Ｐにおける磁束密度Ｂ（μＴ）を示すものである。尚、Ｓ１は図４に示す構造のヒーターにおけるものであり、Ｓ２は図２に示す構造のヒーターにおけるものであり、Ｓ３及びＳ４は図３に示す構造の本実施の形態におけるアルカリ金属セルユニットのヒーターにおけるものである。Ｓ３は、電流Ｉ２と電流Ｉ３が略等しく、電流Ｉ２が５ｍＡ、電流Ｉ３が５ｍＡの場合であり、Ｓ４は、電流Ｉ２が３ｍＡ、電流Ｉ３が７ｍＡの場合である。
また、本実施の形態におけるアルカリ金属セルに用いられるヒーターでは、Ｓ３の場合では、ヒーターの中心点Ｐにおける磁束密度は０．３４（μＴ）であった。よって、本実施の形態におけるアルカリ金属セルに用いられるヒーターの構造とすることにより、Ｓ２の場合よりも、ヒーターの中心点Ｐにおける磁束密度を約１／４に低くすることができる。更に、Ｓ４の場合では、ヒーターの中心点Ｐにおける磁束密度は０．０２７（μＴ）であった。本実施の形態におけるヒーター基板においては、Ｓ４の場合のように、電流Ｉ２が３ｍＡ、電流Ｉ３が７ｍＡとすることにより、ヒーターの中心点Ｐにおける磁束密度を約１／５０と、極めて低くすることができる。よって、上述したように、Ｇ１とＧ２が略等しい場合（Ｇ１＝Ｇ２、または、Ｇ１≒Ｇ２である場合）には、Ｉ２＜Ｉ３とすることにより、ヒーターの中心点Ｐにおける磁束密度を極めて低くすることが可能である。
（アルカリ金属セルユニットの製造方法）
次に、本実施の形態におけるアルカリ金属セルユニットの製造方法について説明する。
次に、本実施の形態におけるアルカリ金属セルユニットの製造方法について説明する。
最初に、図５に示すように、基板となるＳｉ基板１１０を準備する。Ｓｉ基板１１０の厚みは１．５ｍｍであり、Ｓｉ基板１１０の両面は鏡面加工されている。尚、図５（ａ）は、この工程における上面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）における一点鎖線５Ａ−５Ｂにおいて切断した断面図である。
次に、図６に示すように、Ｓｉ基板１１０に第１の開口部１１１、第２の開口部１１２及び第１の開口部１１１と第２の開口部１１２とを接続する溝部１１３を形成する。尚、図６（ａ）は、この工程における上面図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）における一点鎖線６Ａ−６Ｂにおいて切断した断面図である。
具体的には、Ｓｉ基板１１０の一方の面にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、第１の開口部１１１、第２の開口部１１２及び溝部１１３が形成される領域に開口を有する不図示のレジストパターンを形成する。この後、Ｓｉ基板１１０において、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）などによるドライエッチングにより、レジストパターンの形成されていない領域のＳｉを除去し、Ｓｉ基板１１０の厚みの約半分まで窪みを形成する。
次に、Ｓｉ基板の他方の面にも同様にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行なうことにより、第１の開口部１１１、第２の開口部１１２が形成される領域に開口を有する不図示のレジストパターンを形成する。この後、Ｓｉ基板１１０において、ＩＣＰなどによるドライエッチングによりレジストパターンの形成されていない領域のＳｉを除去し、Ｓｉ基板１１０を貫通する第１の開口部１１１、第２の開口部１１２を形成する。
本実施の形態においては、溝部１１３は、一方の面からのみエッチングされるためＳｉ基板１１０を貫通してはいない。Ｓｉのドライエッチングは、ＳＦ６とＣ４Ｆ８をと交互に供給してエッチングを行うボッシュプロセスにより行われる。ボッシュプロセスでは、異方性の高いＳｉのエッチングを高速で行うことができる。尚、このドライエッチングにおいて、印加されるパワーは２ｋＷである。
上記においては、第１の開口部１１１、第２の開口部１１２をドライエッチングにより形成する方法について説明したが、第１の開口部１１１、第２の開口部１１２をウェットエッチングにより形成することも可能である。具体的には、まずＳｉ基板１１０の両面に減圧ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）により不図示のＳｉＮ膜を成膜する。成膜されたＳｉＮ膜上にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、一方の面には第１の開口部１１１、第２の開口部１１２および溝部１１３が形成される領域に開口を有する不図示のレジストパターンを形成する。同様に、他方の面には第１の開口部１１１、第２の開口部１１２が形成される領域に開口を有する不図示のレジストパターンを形成する。この後、エッチングガスとしてＣＦ４を用いたドライエッチングを行うことによりレジストパターンが形成されていない領域におけるＳｉＮ膜を除去し、さらに、レジストパターンを除去することにより、ＳｉＮからなるマスクを形成する。この後、８５℃の温度で、ＫＯＨ（３０ｗｔ％）溶液を用いたウェットエッチングを行うことにより、ＳｉＮからなるマスクが形成されていない領域のＳｉを除去し、Ｓｉ基板１１０に第１の開口部１１１、第２の開口部１１２および溝部１１３を形成する。更に、この後、ＳｉＮからなるマスクは、ＳｉＮを溶解する溶液を用いてウェットエッチングなどを行うことにより除去する。尚、Ｓｉのウェットエッチングは、異方性エッチングであり、形成される第１の開口部１１１、第２の開口部１１２及び溝部１１３の側面には、傾斜角５４.７°の逆傾斜が形成される。
次に、図７に示すように、第１の開口部１１１、第２の開口部１１２および溝部１１３の形成されたＳｉ基板１１０の溝部１１３が形成されていない面、即ち、Ｓｉ基板１１０の他方の面に、第１の透明基板となる第１のガラス基板１２１を陽極接合により接着する。尚、図７（ａ）は、この工程における上面図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）における一点鎖線７Ａ−７Ｂにおいて切断した断面図である。
具体的には、減圧チャンバー内において、Ｓｉ基板１１０の溝部１１３が形成されていない面、即ち、Ｓｉ基板１１０の他方の面に、第１のガラス基板１２１を接触させ、３８０℃の温度で、第１のガラス基板１２１に−８００Ｖ印加することにより陽極接合する。この際、アルカリ金属原料などは設置されていないため、陽極接合により生じた酸素などによりアルカリ金属が酸化されることはない。
次に、図８に示すように、Ｓｉ基板１１０の第１の開口部１１１にＣｓまたはＲｂ等のアルカリ金属原料１３０を投入し、更に、溝部１１３において溝部１１３を塞ぐための接合金属材料１４０を設置する。接合金属材料１４０は、ヒーターで加熱される温度では溶融することはないが、ヒーターで加熱される温度よりも高温の比較的低い温度で溶融する材料であり、溶融することにより溝部１１３を塞ぐことができる。また、本願においては、アルカリ金属原料が配置された第１の開口部１１１を原料室と記載する場合がある。尚、図８（ａ）は、この工程における上面図であり、図８（ｂ）は、図８（ａ）における一点鎖線８Ａ−８Ｂにおいて切断した断面図である。
次に、図９に示すように、真空チャンバー内にバッファガスとなる窒素を導入して窒素雰囲気とし、窒素雰囲気中において、Ｓｉ基板１１０の一方の面の上に第２の透明基板となる第２のガラス基板１２２を設置する。この後、Ｓｉ基板１１０と第２のガラス基板１２２とを陽極接合により接着する。この際、溝部１１３には接合金属材料１４０が設置されているが、この状態では、溝部１１３は接合金属材料１４０により塞がれてはいない。尚、図９（ａ）は、この工程における上面図であり、図９（ｂ）は、図９（ａ）における一点鎖線９Ａ−９Ｂにおいて切断した断面図である。
次に、図１０に示すように、アルカリ金属原料１３０からアルカリ金属を生成させる。尚、図１０（ａ）は、この工程における上面図であり、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）における一点鎖線１０Ａ−１０Ｂにおいて切断した断面図である。具体的には、アルカリ金属原料１３０は、アルカリ金属がＣｓの場合の原料としては、Ｃｓメタル、Ｃｓを含む大気中で安定的な化合物があげられる。例えば、アルカリ金属原料１３０として、大気中で安定なＣｓディスペンサーを用いる場合には、Ｃｓディスペンサーを第１の開口部１１１（原料室）に投入して封止した後、レーザ光１３７をレンズ１３８で集光して照射し加熱し、Ｃｓを発生させる。第１の開口部１１１（原料室）の内部で発生させたＣｓは融点が約２８℃であり、融点以上に加熱することで液体と気体の混合状態となる。気体のアルカリ金属１３１である気体のＣｓは溝部１１３を介して第１の開口部１１１（原料室）から第２の開口部１１２へと拡散する。
次に、図１１に示すように、Ｓｉ基板１１０の溝部１１３に設置された接合金属材料１４０を所定の温度まで加熱し、溶融させることにより溝部１１３を塞ぐ。これにより、第１の開口部１１１と第２の開口部１１２とを空間的に分離することができ、気体のアルカリ金属１３１は、第２の開口部１１２内に封入される。このようにして、第２の開口部１１２において、アルカリ金属封入部が形成される。尚、図１１（ａ）は、この工程における上面図であり、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）における一点鎖線１１Ａ−１１Ｂにおいて切断した断面図である。この後、ガスセル部をダイシングソーで切り出すことにより、アルカリ金属セル１００が形成される。
次に、図１２に示すように、表面に第１のヒーター配線１１ａ、１１ｂ、第２のヒーター配線１２、第３のヒーター配線１３等が形成されているヒーター基板１５０を形成する。ヒーター基板１５０は、厚さが約１２５μｍの透明基板１５１、例えば、ＰＥＴフィルム基板上に、カーボンを主成分とする導電性塗料をスクリーン印刷した後、焼結する。これにより、透明基板１５１の上に、第１のヒーター配線１１ａ、１１ｂ、第２のヒーター配線１２、第３のヒーター配線１３等が形成されヒーター基板１５０が形成される。ヒーター基板１５０に形成される第１のヒーター配線１１ａ、１１ｂ、第２のヒーター配線１２、第３のヒーター配線１３等は、アルカリ金属セルユニットが作製された際に、第２の開口部１１２の周囲となる領域に形成される。
尚、一方の第１のヒーター配線１１ａと第１の電極端子２１とを接続する接続配線４１及び他方の第１のヒーター配線１１ｂと第２の電極端子２２とを接続する接続配線４２と、第３のヒーター配線１３とが交差する交差部５０には絶縁膜１５２が設けられている。具体的には、第３のヒーター配線１３の上に、絶縁膜１５２が形成されており、絶縁膜１５２の上に、接続配線４１及び接続配線４２が形成されている。絶縁膜１５２は、例えば、絶縁性レジスト等により形成されている。
より詳細に説明すると、ヒーター基板１５０を形成するための透明基板１５１であるＰＥＴフィルム基板は、長さ１３ｍｍ×幅５ｍｍの大きさである。ヒーター基板１５０は、この透明基板１５１の一方の面に、第１のヒーター配線１１ａ及び１１ｂ、第２のヒーター配線１２、第３のヒーター配線１３が形成されている。一方の第１のヒーター配線１１ａの一方の端部には、接続配線４１を介し第１の電極端子２１が接続されており、他方の第１のヒーター配線１１ｂの一方の端部には、接続配線４２を介し第２の電極端子２２が接続されている。また、一方の第１のヒーター配線１１ａの他方の端部には、第１のヒーター接続部３１が設けられており、第１のヒーター接続部３１において、第２のヒーター配線１２及び第３のヒーター配線１３の一方の端部と接続されている。また、他方の第１のヒーター配線１１ｂの他方の端部には、第２のヒーター接続部３２が設けられており、第２のヒーター接続部３２において、第２のヒーター配線１２及び第３のヒーター配線１３の他方の端部と接続されている。
第１のヒーター配線１１ａ及び１１ｂにおける配線幅は３５０μｍであり、第２のヒーター配線１２における配線幅は１７５μｍであり、第３のヒーター配線１３における配線幅は２２５μｍとなるように形成されている。また、ヒーター基板１５０には、アルカリ金属セルにヒーター基板１５０を貼り付ける際に、位置合せを容易に行なうことができるように、位置合せマーカー１５３が設けられている。尚、ヒーター基板１５０において、第１のヒーター配線１１ａ及び１１ｂ、第２のヒーター配線１２及び第３のヒーター配線１３が設けられている面と反対側の面には、不図示の接着層が形成されておりアルカリ金属セル１００に接着させることができる。
次に、図１３に示すように、アルカリ金属セル１００に、ヒーター基板１５０を貼り付ける。具体的には、大きさが８ｍｍ×５ｍｍのアルカリ金属セル１００に、ヒーター基板１５０の裏面を貼り付ける。更に、ヒーター基板１５０をアルミニウムの切削加工により作製した桝形のガスセル支持部材１７０に貼り付けることにより、本実施の形態におけるアルカリ金属セルユニットを作製することができる。
尚、図１３においては、便宜上、第２の開口部１１２の形状が略円形の場合を示しているが、このような形状のものは、上述した製造工程において、第２の開口部１１２の形状を略矩形ではなく、略円形で形成することにより作製することができる。また、本実施の形態におけるアルカリ金属セルユニットは、ガスセル支持部材１７０が貼り付けられることなく、アルカリ金属セル１００に、ヒーター基板１５０が貼り付けられているものであってもよい。
上記においては、ヒーター基板１５０を形成するための透明基板１５１としてＰＥＴフィルム基板を用いたが、ガラス基板を用いてもよい。また、アルカリ金属セル１００は原料室となる第１の開口部１１１を切り離した構造のアルカリ金属セルにも適用することができる。
以上の工程により、本実施の形態におけるアルカリ金属セルユニットを作製することができる。
〔第２の実施の形態〕
次に、第２の実施の形態について説明する。本実施の形態におけるアルカリ金属セルユニットは、第１のヒーター配線が１つのものである。具体的には、第１の実施の形態においては、第１のヒーター配線は、一方の第１のヒーター配線１１ａと他方の第１のヒーター配線１１ｂとを設けた構造のものである。しかしながら、図１４に示す構造にすることにより、１つの第１のヒーター配線１１にすることも可能である。
次に、第２の実施の形態について説明する。本実施の形態におけるアルカリ金属セルユニットは、第１のヒーター配線が１つのものである。具体的には、第１の実施の形態においては、第１のヒーター配線は、一方の第１のヒーター配線１１ａと他方の第１のヒーター配線１１ｂとを設けた構造のものである。しかしながら、図１４に示す構造にすることにより、１つの第１のヒーター配線１１にすることも可能である。
具体的には、円形状の第１のヒーター配線１１の内側に第２のヒーター配線１２を設け、外側に第３のヒーター配線１３を設けた構造のものである。第１のヒーター配線１１の一方の端部は、第１の電極端子２１と接続されており、第１のヒーター配線１１の他方の端部は、第１のヒーター接続部３１ａを介し、第２のヒーター配線１２の一方の端部及び第３のヒーター配線１３の一方の端部と接続されている。第２のヒーター配線１２の他方の端部及び第３のヒーター配線１３の他方の端部は、第２のヒーター接続部３２ａにおいて接続されており、さらに第２の電極端子２２と接続されている。
第１の電極端子２１と第１の電極端子２１とが接続される接続配線４１ａと、第３のヒーター配線１３とが交差する交差部５０ａには、第３のヒーター配線１３の上に、不図示の絶縁膜が設けられている。よって、第１のヒーター配線１１と第１の電極端子２１とが接続される接続配線４１ａは、第３のヒーター配線１３の上に設けられた不図示の絶縁膜の上に形成されている。
本実施の形態におけるアルカリ金属セルユニットに設けられたヒーターにおいて、不図示の電源の正極に、第１の電極端子２１を接続し、負極に、第２の電極端子２２を接続した場合について考える。この場合、第１の電極端子２１より第１のヒーター配線１１を時計回りに、電流Ｉ１が略１周流れ、第１のヒーター接続部３１ａにおいて、電流Ｉ１は第２のヒーター配線１２に流れる電流Ｉ２と第３のヒーター配線１３に流れる電流Ｉ３とに分岐される。第２のヒーター配線１２では、電流Ｉ２が反時計回りに略１周流れ、第３のヒーター配線１３では、電流Ｉ３が反時計回りに略１周流れ、第２のヒーター接続部３２ａにおいて、電流Ｉ２と電流Ｉ３とが合流し、電流Ｉ１となり、第２の電極端子２２に流れる。尚、上記以外の内容については、第１の実施の形態と同様である。
〔第３の実施の形態〕
次に、第３の実施の形態について説明する。本実施の形態におけるアルカリ金属セルユニットは、図４に示されるヒーター基板と同様のヒーター基板を２枚設け、積層した構造のものであって、各々のヒーター基板に流れる電流の向きを逆にしたものである。具体的には、図１５及び図１６に示されるように、アルカリ金属セル１００の一方の面の上において、第２のヒーター基板１５０ｂと第１のヒーター基板１５０ａを順に積層した構造のものである。尚、図１６は、上下に配置される第１のヒーター基板１５０ａ及び第２のヒーター基板１５０ｂを説明の便宜上、平面上に記載したものである。
次に、第３の実施の形態について説明する。本実施の形態におけるアルカリ金属セルユニットは、図４に示されるヒーター基板と同様のヒーター基板を２枚設け、積層した構造のものであって、各々のヒーター基板に流れる電流の向きを逆にしたものである。具体的には、図１５及び図１６に示されるように、アルカリ金属セル１００の一方の面の上において、第２のヒーター基板１５０ｂと第１のヒーター基板１５０ａを順に積層した構造のものである。尚、図１６は、上下に配置される第１のヒーター基板１５０ａ及び第２のヒーター基板１５０ｂを説明の便宜上、平面上に記載したものである。
本実施の形態においては、第１のヒーター基板１５０ａと第２のヒーター基板１５０ｂとは電流の流れる方向が逆方向である。即ち、不図示の電源の正極に、第１のヒーター基板１５０ａにおける第１の電極端子２１及び第２のヒーター基板１５０ｂにおける第２の電極端子２２が接続されている。また、不図示の電源の負極に、第１のヒーター基板１５０ａにおける第２の電極端子２２及び第２のヒーター基板１５０ｂにおける第１の電極端子２１が接続されている。
具体的には、第１のヒーター基板１５０ａにおいては、電流は、第１の電極端子２１から、一方の第１のヒーター配線１１ａ、第２のヒーター配線１２及び第３のヒーター配線１３、他方の第１のヒーター配線１１ｂの順に、第２の電極端子２２に流れる。また、第２のヒーター基板１５０ｂにおいては、電流は、第２の電極端子２２から、他方の第１のヒーター配線１１ｂ、第２のヒーター配線１２及び第３のヒーター配線１３、一方の第１のヒーター配線１１ａの順に、第１の電極端子２１に流れる。よって、第１のヒーター基板１５０ａに流れる電流の向きと、第２のヒーター基板１５０ｂに流れる電流の向きとは逆向きになる。このため、第１のヒーター基板１５０ａと第２のヒーター基板１５０ｂとを積層した場合には、図１５に示されるように、電流が流れることにより生じる磁界は、上下方向においても相殺されるため、より一層磁界の発生を抑制することができる。尚、上記以外の内容については、第１の実施の形態と同様である。
〔第４の実施の形態〕
次に、第４の実施の形態について説明する。本実施の形態におけるアルカリ金属セルユニットは、図４に示されるヒーター基板と同様のヒーター基板を２枚設け、アルカリ金属セル１００の両面に、各々設置した構造ものであって、各々のヒーター基板に流れる電流の向きを逆にしたものである。具体的には、図１７に示されるように、アルカリ金属セル１００の一方の面に第１のヒーター基板１５０ａを設置し、他方の面に第２のヒーター基板１５０ｂを設置した構造のものである。本実施の形態においては、第１のヒーター基板１５０ａと第２のヒーター基板１５０ｂとは電流の流れる方向が逆方向である。このような構造のアルカリ金属セルユニットにおいても、第３の実施の形態と同様に、電流が流れることにより生じる磁界は、上下方向においても相殺されるため、より一層磁界の発生を抑制することができる。尚、上記以外の内容については、第３の実施の形態と同様である。
次に、第４の実施の形態について説明する。本実施の形態におけるアルカリ金属セルユニットは、図４に示されるヒーター基板と同様のヒーター基板を２枚設け、アルカリ金属セル１００の両面に、各々設置した構造ものであって、各々のヒーター基板に流れる電流の向きを逆にしたものである。具体的には、図１７に示されるように、アルカリ金属セル１００の一方の面に第１のヒーター基板１５０ａを設置し、他方の面に第２のヒーター基板１５０ｂを設置した構造のものである。本実施の形態においては、第１のヒーター基板１５０ａと第２のヒーター基板１５０ｂとは電流の流れる方向が逆方向である。このような構造のアルカリ金属セルユニットにおいても、第３の実施の形態と同様に、電流が流れることにより生じる磁界は、上下方向においても相殺されるため、より一層磁界の発生を抑制することができる。尚、上記以外の内容については、第３の実施の形態と同様である。
〔第５の実施の形態〕
次に、第５の実施の形態について説明する。本実施の形態におけるアルカリ金属セルユニットは、図４に示されるヒーター基板と同様のヒーター基板を４枚設け、アルカリ金属セル１００の両面に、２枚ずつ設置した構造ものであって、各々のヒーター基板に流れる電流の向きを逆にしたものである。即ち、図１８に示されるように、第３の実施の形態における第１のヒーター基板１５０ａと第２のヒーター基板１５０ｂを積層したものに相当するものをアルカリ金属セル１００の両面に、各々設置した構造のものである。
次に、第５の実施の形態について説明する。本実施の形態におけるアルカリ金属セルユニットは、図４に示されるヒーター基板と同様のヒーター基板を４枚設け、アルカリ金属セル１００の両面に、２枚ずつ設置した構造ものであって、各々のヒーター基板に流れる電流の向きを逆にしたものである。即ち、図１８に示されるように、第３の実施の形態における第１のヒーター基板１５０ａと第２のヒーター基板１５０ｂを積層したものに相当するものをアルカリ金属セル１００の両面に、各々設置した構造のものである。
具体的には、アルカリ金属セル１００の一方の面に、第１のヒーター基板１５０ａと第２のヒーター基板１５０ｂとが積層されたものを配置し、他方の面に、第３のヒーター基板１５０ｃと第４のヒーター基板１５０ｄとが積層されたものを配置した構造のものである。本実施の形態においては、第１のヒーター基板１５０ａと第２のヒーター基板１５０ｂとは電流の流れる方向が逆方向であり、第３のヒーター基板１５０ｃと第４のヒーター基板１５０ｄとは電流の流れる方向が逆方向である。
より詳細に説明すると、第３のヒーター基板１５０ｃにおいては、電流は第１のヒーター基板１５０ａと同様に流れ、第４のヒーター基板１５０ｄにおいては、電流は第２のヒーター基板１５０ｂと同様に流れる。よって、第３のヒーター基板１５０ｃに流れる電流の向きと、第４のヒーター基板１５０ｄに流れる電流の向きとは逆向きになる。このため、第３のヒーター基板１５０ｃと第４のヒーター基板１５０ｄとを積層した場合には、図１８に示されるように、電流が流れることにより生じる磁界は、上下方向においても相殺される。また、上述したように、第１のヒーター基板１５０ａに流れる電流の向きと、第２のヒーター基板１５０ｂに流れる電流の向きとは逆向きになる。このため、第１のヒーター基板１５０ａと第２のヒーター基板１５０ｂとを積層した場合には、電流が流れることにより生じる磁界は、上下方向においても相殺される。よって、更に一層磁界の発生を抑制することができる。尚、上記以外の内容については、第３の実施の形態と同様である。
〔第６の実施の形態〕
次に、第６の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第１から第５の実施の形態におけるアルカリ金属セルを用いた原子発振器である。図１９に基づき本実施の形態における原子発振器について説明する。本実施の形態における原子発振器は、ＣＰＴ方式の小型原子発振器であり、光源４１０、コリメートレンズ４２０、λ／４板４３０、アルカリ金属セル４４０、光検出器４５０、変調器４６０を有している。この原子発振器は、光源４１０より出射されたサイドバンドを含む光のうち、２つの異なる波長の光をアルカリ金属セル４４０に入射させることにより、２種類の共鳴光による量子干渉効果による光吸収特性により発振周波数を制御するものである。
次に、第６の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第１から第５の実施の形態におけるアルカリ金属セルを用いた原子発振器である。図１９に基づき本実施の形態における原子発振器について説明する。本実施の形態における原子発振器は、ＣＰＴ方式の小型原子発振器であり、光源４１０、コリメートレンズ４２０、λ／４板４３０、アルカリ金属セル４４０、光検出器４５０、変調器４６０を有している。この原子発振器は、光源４１０より出射されたサイドバンドを含む光のうち、２つの異なる波長の光をアルカリ金属セル４４０に入射させることにより、２種類の共鳴光による量子干渉効果による光吸収特性により発振周波数を制御するものである。
光源４１０は、面発光レーザ素子が用いられている。アルカリ金属セル４４０には、アルカリ金属としてＣｓ（セシウム）原子ガスが封入されており、Ｄ１ラインの遷移を用いるものである。光検出器４５０は、フォトダイオードが用いられている。
本実施の形態における原子発振器では、光源４１０より出射された光をセシウム原子ガスが封入されたアルカリ金属セル４４０に照射し、セシウム原子における電子を励起する。アルカリ金属セル４４０を透過した光は光検出器４５０において検出され、光検出器４５０において検出された信号は変調器４６０にフィードバックされ、変調器４６０により光源４１０における面発光レーザ素子を変調する。
図２０に基づき、本実施の形態における原子発振器について説明する。本実施の形態における原子発振器は、回路基板４７１上に縦方向に形成されている。回路基板４７１上には、アルミナ基板４７２が設けられており、アルミナ基板４７２上には光源４１０となる面発光レーザ素子が設置されている。尚、アルミナ基板４７２は、光源４１０の温度等を制御するための面発光レーザ用ヒーター４７３が設けられている。光源４１０の上方には、ＮＤ（Neutral Density）フィルタ４７４が設けられている。ＮＤフィルタ４７４は、ガラス等により形成された断熱スペーサ４７５により所定の位置に設置されている。ＮＤフィルタ４７４の上部にはコリメートレンズ４２０が設けられており、コリメータレンズの上方には、λ／４板４３０が設けられている。λ／４板４３０はシリコン等により形成されたスペーサ４７６により所定の位置に設置されている。λ／４板４３０の上には、アルカリ金属セル４４０が設けられている。アルカリ金属セル４４０は、２枚のガラス基板４４１を有しており、２枚のガラス基板４４１が対向している状態で、縁の部分がシリコン基板４４２により接続されており、ガラス基板４４１とシリコン基板４４２に囲まれた部分には、アルカリ金属が封入されている。尚、アルカリ金属セル４４０において、レーザ光が透過する面がガラス基板４４１により形成されている。アルカリ金属セル４４０の両側には、セル用ヒーター４７７が設けられており、アルカリ金属セル４４０を所定の温度に設定することができる。アルカリ金属セル４４０の上方には、光検出器４５０が設けられており、光検出器４５０はシリコンからなるスペーサ４７８により所定の位置に設置されている。
次に、図２１に、ＣＰＴに関連する原子エネルギー準位の構造を示す。二つの基底準位から励起準位に電子が同時に励起されると光の吸収率が低下することを利用する。面発光レーザは搬送波波長が８９４．６ｎｍに近い素子を用いている。搬送波の波長は面発光レーザの温度、もしくは出力を変化させてチューニングすることができる。図２２に示すように、変調をかけることで搬送波の両側にサイドバンドが発生し、その周波数差がＣｓ原子の固有振動数である９．２ＧＨｚに一致するように４．６ＧＨｚで変調させている。図２３に示すように、励起されたＣｓガスを通過するレーザ光はサイドバンド周波数差がＣｓ原子の固有周波数差に一致した時に最大となる。よって、光検出器４５０の出力が最大値を保持するように変調器４６０においてフィードバックして光源４１０における面発光レーザ素子の変調周波数を調整する。原子の固有振動数が極めて安定なので変調周波数は安定した値となり、この情報がアウトプットとして取り出される。尚、波長が８９４．６ｎｍの場合では、±１ｎｍの範囲の波長が必要となる。
尚、本実施の形態における原子発振器においては、アルカリ金属セル４４０には、第１から第５の実施の形態におけるアルカリ金属セルのいずれかが用いられている。また、本実施の形態における原子発振器のアルカリ金属セル４４０において、シリコン基板４４２は、第１の実施の形態等におけるＳｉ基板１１０に相当するものである。ガラス基板４４１は、第１の実施の形態等における第１のガラス基板１２１及び第２のガラス基板１２２に相当するものである。セル用ヒーター４７７は、ヒーター基板１５０等に相当するものである。
また、本実施の形態においては、アルカリ金属としてＣｓを用い、そのＤ１ラインの遷移を用いるために波長が８９４．６ｎｍの面発光レーザを用いたが、ＣｓのＤ２ラインを利用する場合８５２．３ｎｍを用いることもできる。また、アルカリ金属としてＲｂ（ルビジウム）を用いることもでき、Ｄ１ラインを利用する場合は７９５．０ｎｍ、Ｄ２ラインを利用する場合は７８０．２ｎｍを用いることができる。また、Ｒｂを用いる場合の変調周波数は、８７Ｒｂでは３．４ＧＨｚ、８５Ｒｂでは１．５ＧＨｚで変調させる。尚、これらの波長においても、±１ｎｍの範囲の波長が必要となる。
以上、本発明の実施に係る形態について説明したが、上記内容は、発明の内容を限定するものではない。
１１ａ 第１のヒーター配線（一方の第１のヒーター配線）
１１ｂ 第１のヒーター配線（他方の第１のヒーター配線）
１２ 第２のヒーター配線
１３ 第３のヒーター配線
２１ 第１の電極端子
２２ 第２の電極端子
３１ 第１のヒーター接続部
３２ 第２のヒーター接続部
４１ 接続配線
４２ 接続配線
５０ 交差部
１１０ Ｓｉ基板
１１１ 第１の開口部（一の開口部）
１１２ 第２の開口部（他の開口部）
１１３ 溝部
１２１ 第１のガラス基板
１２２ 第２のガラス基板
１３０ アルカリ金属原料
１３１ 気体のアルカリ金属
１４０ 接合金属材料
１５０ ヒーター基板
１５１ 透明基板
１５２ 絶縁膜
１７０ ガスセル支持部材
４１０ 光源
４２０ コリメートレンズ
４３０ λ／４板
４４０ アルカリ金属セル
４５０ 光検出器
４６０ 変調器
１１ｂ 第１のヒーター配線（他方の第１のヒーター配線）
１２ 第２のヒーター配線
１３ 第３のヒーター配線
２１ 第１の電極端子
２２ 第２の電極端子
３１ 第１のヒーター接続部
３２ 第２のヒーター接続部
４１ 接続配線
４２ 接続配線
５０ 交差部
１１０ Ｓｉ基板
１１１ 第１の開口部（一の開口部）
１１２ 第２の開口部（他の開口部）
１１３ 溝部
１２１ 第１のガラス基板
１２２ 第２のガラス基板
１３０ アルカリ金属原料
１３１ 気体のアルカリ金属
１４０ 接合金属材料
１５０ ヒーター基板
１５１ 透明基板
１５２ 絶縁膜
１７０ ガスセル支持部材
４１０ 光源
４２０ コリメートレンズ
４３０ λ／４板
４４０ アルカリ金属セル
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Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．８５，ｐｐ．１４６０−１４６２ （２００４）
Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ， ｖｏｌ．３，ｐｐ．５７１−６１２
Claims (10)
- アルカリ金属が封入されているアルカリ金属セルを加熱するヒーター基板であって、
前記ヒーター基板には、アルカリ金属が封入されているアルカリ金属封入部の周囲となる領域に、第１のヒーター配線、第２のヒーター配線、第３のヒーター配線が設けられており、
前記第１のヒーター配線は、前記第２のヒーター配線と前記第３のヒーター配線との間に設けられており、
前記第２のヒーター配線は、前記アルカリ金属封入部と前記第１のヒーター配線との間に設けられており、
前記第１のヒーター配線に流れる電流は、前記第２のヒーター配線に流れる電流と、前記第３のヒーター配線に流れる電流に分岐されており、
前記第１のヒーター配線に流れる電流の向きと、前記第２のヒーター配線及び前記第３のヒーター配線に流れる電流の向きは、互いに逆方向であることを特徴とするヒーター基板。 - 前記第２のヒーター配線に流れる電流は、前記第１のヒーター配線に流れる電流よりも少ないことを特徴とする請求項１に記載のヒーター基板。
- 請求項１または２に記載のヒーター基板と、前記アルカリ金属セルと、を有するアルカリ金属セルユニットにおいて、
前記アルカリ金属セルは、
一方の面から他方の面に貫通する開口部が形成された基板と、
前記基板の他方の面に接合された第１の透明基板と、
前記基板の一方の面に接合された第２の透明基板と、
を有し、前記基板の開口部において、前記第１の透明基板と前記第２の透明基板とにより囲まれた空間に、アルカリ金属を封入することにより、前記アルカリ金属封入部が形成されるものであって、
前記ヒーター基板は、前記第１の透明基板、または、前記第２の透明基板の側に設置されていることを特徴とするアルカリ金属セルユニット。 - 前記ヒーター基板は２つ設けられており、
前記２つのヒーター基板のうちの一方のヒーター基板は、前記第１の透明基板、または、前記第２の透明基板の側に設置されており、
前記２つのヒーター基板のうちの他方のヒーター基板は、前記一方のヒーター基板の上に設置されており、
前記一方のヒーター基板と前記他方のヒーター基板とは、電流の流れる向きが逆であることを特徴とする請求項３に記載のアルカリ金属セルユニット。 - 前記ヒーター基板は２つ設けられており、
前記２つのヒーター基板のうちの一方のヒーター基板は、前記第１の透明基板の側に設置されており、
前記２つのヒーター基板のうちの他方のヒーター基板は、前記第２の透明基板の側に設置されていることを特徴とする請求項３に記載のアルカリ金属セルユニット。 - 前記第１のヒーター配線の中心と前記第２のヒーター配線の中心との間隔は、前記第１のヒーター配線の中心と前記第３のヒーター配線の中心との間隔と略同じであって、
前記第２のヒーター配線に流れる電流は、前記第３のヒーター配線に流れる電流よりも少ないことを特徴とする請求項３から５のいずれかに記載のアルカリ金属セルユニット。 - 前記第２のヒーター配線における配線幅は、前記第３のヒーター配線における配線幅よりも狭いことを特徴とする請求項６に記載のアルカリ金属セルユニット。
- 前記第１のヒーター配線の中心と前記第２のヒーター配線の中心との間隔は、前記第１のヒーター配線の中心と前記第３のヒーター配線の中心との間隔よりも広いことを特徴とする請求項３から５のいずれかに記載のアルカリ金属セルユニット。
- 前記基板、前記第１の透明基板及び前記第２の透明基板の周囲を囲むガスセル支持部材を有し、
前記ヒーター基板は、前記ガスセル支持部材に接触していることを特徴とする請求項３から８のいずれかに記載のアルカリ金属セルユニット。 - 請求項３から９のいずれかに記載のアルカリ金属セルユニットと、
前記アルカリ金属セルユニットにおける前記アルカリ金属封入部にレーザ光を照射する光源と、
前記光源より前記アルカリ金属セルユニットにおける前記アルカリ金属封入部に照射されたレーザ光のうち、前記アルカリ金属セルユニットにおける前記アルカリ金属封入部を透過した光を検出する光検出器と、
を有することを特徴とする原子発振器。
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