JP6750355B2 - 量子干渉装置、原子発振器、電子機器および移動体 - Google Patents
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Description
本発明の量子干渉装置は、アルカリ金属が封入されている原子セル、前記アルカリ金属を励起する光を出射する光源、および、前記原子セルおよび前記光源を加熱するヒーターを含む原子セルモジュールと、
前記原子セルモジュールを収納しているパッケージと、
前記光源が設定温度となるように前記ヒーターの駆動を制御する制御部と、を備え、
前記原子セルモジュールと前記パッケージとの間の熱抵抗をR[℃/W]とし、前記設定温度をTv[℃]とし、前記設定温度よりも低い値に設定される使用環境温度の上限値をTout[℃]とし、前記光源の発熱量をQv[W]としたとき、
R≦(Tv−Tout)/Qv
なる関係を満足することを特徴とする。
前記原子セルと前記パッケージとの間に配置されている支持部材と、
前記光源と前記パッケージとを電気的に接続している配線を含む可撓性の配線基板と、を有し、
前記支持部材の熱抵抗は、前記配線基板の熱抵抗よりも小さいことが好ましい。
R1/R2は、0.5以上2.0以下であることが好ましい。
これにより、原子セルモジュール内の温度分布の均一化を図ることができる。
これにより、光源の発熱による熱をパッケージへ容易かつ適度に逃すことができる。
これにより、例えば、原子セルの一部の温度を低くすることにより、当該一部に液体状または固体のアルカリ金属を意図的に溜めることができる。
前記光源と前記パッケージとを電気的に接続している第1配線を含む可撓性の第1配線基板と、
前記光を検出する光検出部と、
前記光検出部と前記パッケージとを電気的に接続している第2配線を含む可撓性の第2配線基板と、を有し、
前記第1配線の熱抵抗が前記第2配線の熱抵抗よりも小さいことが好ましい。
これにより、光源の発熱による熱をパッケージへ容易かつ適度に逃すことができる。
これにより、消費電力を極めて小さくする(例えば100mW以下とする)ことができる。
前記原子セルモジュールを収納しているパッケージと、
前記光源が設定温度となるように前記ヒーターの駆動を制御する制御部と、を備え、
前記原子セルモジュールと前記パッケージとの間の熱抵抗をR[℃/W]とし、前記設定温度をTv[℃]とし、前記設定温度よりも低い値に設定される使用環境温度の上限値をTout[℃]とし、前記光源の発熱量をQv[W]としたとき、
R≦(Tv−Tout)/Qv
なる関係を満足することを特徴とする。
このような電子機器によれば、良好な周波数特性を有する量子干渉装置を備えるため、優れた信頼性を発揮させることができる。
このような移動体によれば、良好な周波数特性を有する量子干渉装置を備えるため、優れた信頼性を発揮させることができる。
まず、本発明の量子干渉装置の一種である原子発振器について説明する。なお、以下では、本発明の量子干渉装置を原子発振器に適用した例を説明するが、本発明の量子干渉装置は、これに限定されず、原子発振器の他、例えば、磁気センサー、量子メモリー等にも適用可能である。
図1は、本発明の第1実施形態に係る原子発振器(量子干渉装置)を示す概略図である。
以上、原子発振器1の概略を説明した。以下、パッケージ部10について詳述する。
原子セルユニット2は、原子セル21と、光源22と、光学系23と、光検出部24と、ヒーター25と、温度センサー26と、基板28と、接続部材29と、カバー部材30と、を含み、これらがユニット化されている。具体的には、基板28の上面(一方の面)上に、光源22、ヒーター25、温度センサー26および接続部材29が搭載されており、原子セル21、光学系23および光検出部24が接続部材29に保持されている。また、カバー部材30が接続部材29の外表面に固定されている。
図2および図3に示すように、原子セル21は、柱状の貫通孔214を有する胴体部211と、その貫通孔214の両側の開口を封鎖する1対の光透過部212、213と、を有する。これにより、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る内部空間Sが形成されている。なお、内部空間S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。なお、貫通孔214の横断面(光軸aに対して垂直な方向での断面)、すなわち、内部空間Sの横断面形状は、特に限定されず、例えば、円形、楕円形、四角形等の多角形等が挙げられる。
光源22は、原子セル21中のアルカリ金属原子を励起する光LLを出射する機能を有する。この光源22としては、前述したような共鳴光対を含む光LLを出射し得るものであれば、特に限定されないが、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等の発光素子を用いることが好ましい。
光学系23は、前述した光源22と原子セル21との間における光LLの光路上に設けられている光学部品231、232を有する。本実施形態では、光源22側から原子セル21側へ、光学部品231、光学部品232がこの順に配置されている。
光検出部24は、原子セル21内を透過した光LLの強度を検出する機能を有する。この光検出部24としては、上述したような光LLを検出し得るものであれば、特に限定されないが、例えば、太陽電池、フォトダイオード等の光検出器(受光素子)を用いることができる。
ヒーター25は、通電により発熱する発熱抵抗体(加熱部)を有する。このヒーター25は、基板28上に設けられている。そして、ヒーター25からの熱は、基板28および接続部材29を介して、原子セル21に伝達される。これにより、原子セル21(より具体的には原子セル21中のアルカリ金属)が加熱され、原子セル21中のアルカリ金属を所望の濃度のガス状に維持することができる。また、ヒーター25からの熱は、基板28を介して光源22にも伝達される。これにより、光源22の温度制御を高精度に行うことができる。
温度センサー26は、光源22、ヒーター25または原子セル21の温度を検出するものである。この温度センサー26としては、特に限定されず、サーミスタ、熱電対等の公知の各種温度センサーを用いることができる。そして、この温度センサー26の検出結果に基づいて、前述したヒーター25の発熱量が制御される。これにより、原子セル21内のアルカリ金属原子を所望の温度に維持することができる。
図2に示すように、接続部材29は、原子セル21を挟んで設けられた1対の接続部材291、292で構成されている。接続部材291、292は、それぞれ、光LLの通過領域を避けるように形成されている。また、接続部材291、292は、光透過部212、213のそれぞれに対して、接触しているか、または、熱伝導性に優れた接着剤を介して接合されている。なお、接続部材291、292の形状は、少なくとも原子セル21、光源22および光検出部24の相対的な位置関係を固定し得るものであれば、図示のものに限定されない。また、接続部材291、292が一体化してもよいし、接続部材291、292がそれぞれ複数の部材で構成されていてもよい。
カバー部材30は、板状またはシート状の1対のカバー部材305、306で構成されている。カバー部材305、306は、前述した1対の接続部材291、292から露出した原子セル21や光源22等の側方を覆うように設けられ、接続部材291、292に接着剤等により接合されている。
図2および図3に示すように、基板28は、前述した光源22、ヒーター25、温度センサー26および接続部材29等を支持する機能を有する。
図2および図3に示すように、パッケージ3は、原子セルモジュール20(すなわち原子セルユニット2、配線部4および支持部材5を含む構造体)を収納する機能を有する。なお、パッケージ3内には、前述した部品以外の部品が収納されていてもよい。
支持部材5は、パッケージ3内に収納されており、パッケージ3の基体31に対して原子セルユニット2を支持する機能を有する。また、支持部材5は、原子セルユニット2とパッケージ3との間の熱の伝達を抑制する機能を有する。これにより、原子セルユニット2の各部、特に原子セル21や光源22と、パッケージ3との熱伝達を低減し、原子セル21や光源22とパッケージ3の外部との間の熱干渉を抑制することができる。そのため、原子セル21や光源22等の温度制御を高精度に行うことができる。
図3に示すように、配線部4は、基板28と基体31とを電気的に接続している配線基板41と、光検出部24と基体31とを電気的に接続している配線基板42と、を有している。
以上説明したような構成を有するパッケージ部10では、前述したように、パッケージ3内の内部空間S1を真空とするとともに、優れた断熱性を有する支持部材5を用いることで、低消費電力化を図っている。その上で、パッケージ部10では、原子セルモジュール20とパッケージ3との間の熱抵抗(熱抵抗値)を最適化することで、比較的高温の使用環境温度下においても、良好な周波数安定度を発揮させることができる。以下、原子セルモジュール20とパッケージ3との間の熱抵抗について詳述する。
R≦(Tv−Tout)/Qv
なる関係(以下、単に「関係式1」ともいう)を満足する。
(1/R)=(1/R1)+(1/R2)+(1/R3)
なる関係(以下、単に「関係式2」ともいう)を満たす。すなわち、
R=(R1×R2×R3)/{(R1×R2)+(R2×R3)+(R1×R3)}
である。
R1=R11×R12/(R11+R12)である。
例えば、設定温度Tvを60[℃]、上限値Toutを45[℃]、光源22の発熱量Qvを3[mW]としたとき、前述した関係式1の右辺は、5000[℃/W]となる。一方、固体熱伝導による熱抵抗R1を8200[℃/W]、輻射による熱抵抗R2を10000[℃/W]としたとき、前述した関係式2から、熱抵抗R(関係式1の左辺)は、4500[℃/W]となり、前述した関係式1を満足する。
前述した具体例1において、上限値Toutを50[℃]とした場合、前述した関係式1の右辺は、3333[℃/W]となる。一方、固体熱伝導による熱抵抗R1を5000[℃/W]、輻射による熱抵抗R2を10000[℃/W]としたとき、前述した関係式2から、熱抵抗R(関係式1の左辺)は、3333[℃/W]となり、前述した関係式1を満足する。
前述した具体例1において、上限値Toutを50[℃]とした場合、前述した関係式1の右辺は、3333[℃/W]となる。一方、固体熱伝導による熱抵抗R1を8200[℃/W]、輻射による熱抵抗R2を5600[℃/W]としたとき、前述した関係式2から、熱抵抗R(関係式1の左辺)は、3328[℃/W]となり、前述した関係式1を満足する。
次に、本発明の第2実施形態について説明する。
以上説明したような本発明の量子干渉装置を備えた原子発振器1または1Aは、各種電子機器に組み込むことができる。
基地局装置300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301を介してGPS衛星200からの測位情報を高精度に受信する受信装置302と、この受信装置302で受信した測位情報を、アンテナ303を介して送信する送信装置304と、を備える。
また、前述したような本発明の量子干渉装置を備えた原子発振器1または1Aは、各種移動体に組み込むことができる。
図8は、本発明の移動体の一例を示す図である。
Claims (11)
- アルカリ金属が封入されている原子セル、前記アルカリ金属を励起する光を出射する光源、および、前記原子セルおよび前記光源を加熱するヒーターを含む原子セルモジュールと、
前記原子セルモジュールを収納しているパッケージと、
前記光源が設定温度となるように前記ヒーターの駆動を制御する制御部と、を備え、
前記原子セルモジュールと前記パッケージとの間の熱抵抗をR[℃/W]とし、前記設定温度をTv[℃]とし、前記設定温度よりも低い値に設定される使用環境温度の上限値をTout[℃]とし、前記光源の発熱量をQv[W]としたとき、
R≦(Tv−Tout)/Qv
なる関係を満足することを特徴とする量子干渉装置。 - 前記原子セルモジュールは、
前記原子セルと前記パッケージとの間に配置されている支持部材と、
前記光源と前記パッケージとを電気的に接続している配線を含む可撓性の配線基板と、を有し、
前記支持部材の熱抵抗は、前記配線基板の熱抵抗よりも小さい請求項1に記載の量子干渉装置。 - 前記原子セルモジュールと前記パッケージとの間の固体熱伝導による熱抵抗をR1[℃/W]とし、前記原子セルモジュールと前記パッケージとの間の輻射による熱抵抗をR2[℃/W]としたとき、
R1/R2は、0.5以上2.0以下である請求項1または2に記載の量子干渉装置。 - 前記R1が前記R2よりも小さい請求項3に記載の量子干渉装置。
- 前記R1が前記R2よりも大きい請求項3に記載の量子干渉装置。
- 前記原子セルモジュールは、
前記光源と前記パッケージとを電気的に接続している第1配線を含む可撓性の第1配線基板と、
前記光を検出する光検出部と、
前記光検出部と前記パッケージとを電気的に接続している第2配線を含む可撓性の第2配線基板と、を有し、
前記第1配線の熱抵抗が前記第2配線の熱抵抗よりも小さい請求項1ないし5のいずれか1項に記載の量子干渉装置。 - 前記Rが3000[℃/W]以上である請求項1ないし6のいずれか1項に記載の量子干渉装置。
- 前記パッケージ内の圧力が1Pa以下である請求項1ないし7のいずれか1項に記載の量子干渉装置。
- アルカリ金属が封入されている原子セル、前記アルカリ金属を励起する光を出射する光源、および、前記原子セルおよび前記光源を加熱するヒーターを含む原子セルモジュールと、
前記原子セルモジュールを収納しているパッケージと、
前記光源が設定温度となるように前記ヒーターの駆動を制御する制御部と、を備え、
前記原子セルモジュールと前記パッケージとの間の熱抵抗をR[℃/W]とし、前記設定温度をTv[℃]とし、前記設定温度よりも低い値に設定される使用環境温度の上限値をTout[℃]とし、前記光源の発熱量をQv[W]としたとき、
R≦(Tv−Tout)/Qv
なる関係を満足することを特徴とする原子発振器。 - 請求項1ないし8のいずれか1項に記載の量子干渉装置を備えることを特徴とする電子機器。
- 請求項1ないし8のいずれか1項に記載の量子干渉装置を備えることを特徴とする移動体。
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