ルビジウム原子発振器
【課題】全体の掃引時間が長くなるのを最小限に抑えると共に、ロック状態に容易に引き込むことができるようにして、低グレードのＶＣＸＯを用いることを可能とした低コストの原子発振器を提供する。
【解決手段】このルビジウム原子発振器１００は、ＯＭＵ（原子共鳴器）１と、増幅器２と、位相検波して周波数制御信号を生成する位相検波器５と、ＯＭＵ１の入力周波数が共鳴周波数近傍に達したことを示す位相周波数信号の周波数成分を検出する共鳴前駆検出部３と、ＯＭＵ１の入力周波数が共鳴周波数に達したことを示す位相変調信号の２倍の周波数成分を検出する共鳴検出部４と、スイープ電圧を生成するスイープ電圧生成手段６と、ループフィルタ７と、ＶＣＸＯ８と、逓倍及び位相変調部１０と、位相変調信号２３を発振する低周波発振器９と、を備えて構成されている。
【解決手段】このルビジウム原子発振器１００は、ＯＭＵ（原子共鳴器）１と、増幅器２と、位相検波して周波数制御信号を生成する位相検波器５と、ＯＭＵ１の入力周波数が共鳴周波数近傍に達したことを示す位相周波数信号の周波数成分を検出する共鳴前駆検出部３と、ＯＭＵ１の入力周波数が共鳴周波数に達したことを示す位相変調信号の２倍の周波数成分を検出する共鳴検出部４と、スイープ電圧を生成するスイープ電圧生成手段６と、ループフィルタ７と、ＶＣＸＯ８と、逓倍及び位相変調部１０と、位相変調信号２３を発振する低周波発振器９と、を備えて構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ルビジウム原子発振器に関し、さらに詳しくは、非ロック状態が発生した際に、周波数の引き込みを行なうためのスイープ電圧の掃引速度を変化させてロック状態に容易に引き込むための回路技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、通信網や放送網等のディジタルネットワーク化が進み、これに伴い、伝送装置のクロック信号や放送局の基準周波数の生成に使用されるクロック源として、高精度・高安定な発振器が必要不可欠なものとなっている。そのような要請を満たす発振器として、発振周波数の精度・安定度が高いルビジウム原子発振器が多く用いられている。しかし、そのようなルビジウム原子発振器に用いられているＶＣＸＯは、周波数可変幅が狭く周波数安定度が高い特性が要求されるため、コスト的に高価なものが使用されている。
尚、低コストのＶＣＸＯを用いた原子発振器として特許文献１には、鋸歯状の電圧を出力する掃引電圧発生器及び切替器を備え、共鳴検出器出力より原子共鳴信号が出力されないときは、切替器では掃引電圧発生器の出力を選択し、掃引電圧発生器の出力電圧の変化によりＶＣＸＯの周波数を変化させ、共鳴検出器より２倍波成分が出力されると、切替器により積分器の出力を選択すると同時に積分器の動作を行わせるように構成する原子発振器について開示されている。
【特許文献１】特開平１−２８０９２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献１に開示されている従来技術は、電源起動直後の共鳴信号が検出されない非ロック状態では、ＶＣＸＯの出力周波数が掃引電圧発生器の出力電圧（掃引信号）とその掃引周期Ｔに従い、出力周波数がほぼ直線的に変化する。（ある周波数範囲を繰り返し周波数掃引）ところが、共鳴検出器が共鳴信号を検出できる周波数範囲は数Ｈｚ程度のごく狭い周波数範囲に限られているので、ＶＣＸＯの周波数掃引速度が速すぎると（掃引周期Ｔが小さいと）、共鳴検出部は共鳴信号を検出できないことがある。即ち、低コストＶＣＸＯは周波数可変幅が大きく周波数感度が高いため、使用するＶＣＸＯの周波数感度に比べて周波数掃引速度が速すぎると、共鳴信号をうまく検出できずに周波数掃引の状態が続いたままとなり、周波数をロックすることができないといった現象が発生することがある。
従って、この現象を回避するには、ＶＣＸＯの周波数感度に応じて、周波数掃引速度（掃引期Ｔ）を十分遅くする必要がある。ところが、周波数掃引速度（掃引周期Ｔ）を遅くすることは、逆に周波数がロックするまでの同期時間が長くなってしまうということであり、短時間でのロックという市場の要求に十分応えることができないといった問題がある。
【０００４】
本発明は、かかる課題に鑑み、ロック状態になる近傍まで従来の掃引速度によるスイープ信号を発生し、ロック状態近傍から掃引速度を遅くすることにより、全体の掃引時間が長くなるのを最小限に抑えると共に、ロック状態に容易に引き込むことができるようにして、低グレードのＶＣＸＯを用いることを可能とした低コストの原子発振器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明はかかる課題を解決するために、ルビジウムを用いた原子共鳴器と、該原子共鳴器の共鳴周波数に同期するように制御電圧を生成する周波数制御部と、前記制御電圧によって発振周波数が制御される電圧制御発振器と、を備えたルビジウム原子発振器であって、非ロック状態において周波数の引き込みを行なうためのスイープ電圧を生成するスイープ電圧生成手段を備え、該スイープ電圧生成手段は、前記原子共鳴器の入力周波数が共鳴周波数近傍に達したときに、前記スイープ電圧の掃引速度を遅くすることを特徴とする。
スイープ電圧は原子発振器の電源投入時や非ロック状態になったときに、原子発振器をロック状態に引き込むために電圧制御発振器の制御電圧を直線的に変化させる電圧である。このとき電圧制御発振器の特性がスイープ電圧の掃引速度に追従できる特性を持っていれば良いが、周波数可変幅が広く周波数安定度が低い電圧制御発振器を使用した場合は、ロック状態に容易にならない場合がある。そこで本発明では、スイープ電圧の掃引速度を２段階に変化させるために、原子共鳴器の入力周波数が共鳴周波数近傍に達したときに、スイープ電圧の掃引速度を遅くするものである。これにより、全体の掃引時間が長くなるのを最小限に抑えると共に、ロック状態に容易に引き込むことができるので、低グレードの電圧制御発振器を用いることができる。
【０００６】
また、前記スイープ電圧生成手段は、前記非ロック状態において所定の電圧信号を生成する電圧信号生成回路と、該電圧信号生成回路から供給される電圧信号を積分処理して前記スイープ電圧を生成する積分回路と、前記電圧信号生成回路と前記積分回路を電気的に断接する断接手段と、を備え、前記原子共鳴器の入力周波数が共鳴周波数近傍の場合は、前記断接手段を接続状態とし、前記原子共鳴器の入力周波数が共鳴周波数に達した場合は、前記断接手段を断状態とすることを特徴とする。
本発明の最も大きな特徴は、積分器に供給する電圧信号をロック状態と非ロック状態により切り替えるために断接手段を備え、ロック状態においては断接手段を断状態にして位相検波からの信号により積分器を動作させ、非ロック状態においては、断接手段を接続状態にして電圧信号生成回路からの電圧信号により積分器を動作させてスイープ電圧を発生するようにしている。これにより、１つの積分器をロック状態と非ロック状態で共通に使用することが可能となり、回路規模を削減することができる。
【０００７】
また、前記原子共鳴器の入力周波数が共鳴周波数近傍に達したことを検出する共鳴前駆検出部と、前記原子共鳴器の入力周波数が共鳴周波数に達したことを検出する共鳴検出部と、を備え、前記電圧信号生成回路は、前記共鳴前駆検出部により制御される切替手段を備え、前記共鳴前駆検出部は、前記原子共鳴器の入力周波数が共鳴周波数近傍に達しない範囲では、前記第１の切替手段を通常の掃引速度側に切り替え、前記原子共鳴器の入力周波数が共鳴周波数近傍に達した場合は、前記第１の切替手段を前記掃引速度が遅くなる側に切り替えることを特徴とする。
【０００８】
ロック状態と非ロック状態は、原子共鳴器が出力する共鳴信号の周波数成分を検出することにより可能である。即ち、ロック状態では後述する位相変調信号の２倍の周波数成分が検出され、非ロック状態では検出されないが、非ロック状態でも共鳴周波数近傍に達した場合は、位相変調信号の１倍の周波数成分が検出される。そこで本発明では、この位相変調信号の１倍の周波数成分と２倍の周波数成分をそれぞれ検出する共鳴前駆検出部と共鳴検出部とを備え、電圧信号生成回路内に、共鳴前駆検出部により制御される切替手段を備え、位相変調信号の１倍の周波数成分が検出されると（即ち、共鳴周波数近傍に達した場合）切替手段を掃引速度が遅くなる側に切り替えるものである。これにより、全体の掃引時間の遅れを最小限にしながら、共鳴周波数近傍でロック状態を容易に行うことができる。
【０００９】
また、前記共鳴前駆検出部は、前記原子共鳴器の入力周波数が共鳴周波数近傍に達したときに前記切替手段を前記掃引速度が遅くなる側に所定時間切り替えることを特徴とする。
ここで、共鳴前駆検出部が共鳴周波数近傍に達したことを検出した場合、掃引速度を遅くするわけであるが、前駆検出部がノイズ等を誤検出することがあり、掃引速度を遅くする時間は可能な限り短くするのが好ましい。そこで本発明では、共鳴周波数近傍に達したことを検出すると、その時点から例えば１０秒位の時間だけ切替手段を掃引速度が遅くなる側に切り替えるようにしている。これにより、共鳴前駆検出部が信号を誤検出した場合でも、速やかに元の掃引速度に戻り、全体の掃引時間の遅れを最小限にすることができる。
【００１０】
また、前記共鳴検出部は、前記位相変調信号の２倍の周波数成分を検出することにより、前記電圧信号生成回路と前記積分回路とが断状態となるように前記断接手段を制御することを特徴とする。
共鳴検出部が原子共鳴器の入力周波数が共鳴周波数に達したことを検出すると、スイープ電圧の掃引を停止して、位相検波による制御に切り替える必要がある。そこで本発明では、共鳴検出部が位相変調信号の２倍の周波数成分を検出すると、断接手段を断状態にして積分回路から電圧信号生成回路を切り離して、位相検波による制御に切り替えるものである。これにより、積分器の時定数を位相検波器からの出力信号に追従させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
【００１２】
図１は本発明の一実施形態に係るルビジウム原子発振器のブロック図である。このルビジウム原子発振器１００は、逓倍及び位相変調部１０から入力されたマイクロ波（位相変調された高周波信号）２２を検出し、マイクロ波２２の中心周波数が原子共鳴周波数（ｆ０）に等しいと、位相変調信号の周波数（ｆｍ）の２倍の周波数成分２ｆｍ（図７の符号２５の状態）が出力され、マイクロ波２２の中心周波数が原子共鳴周波数（ｆ０）からずれると、２ｆｍの周波数成分が減少していきｆｍの周波数成分が増加する（図７の符号２６、２７の状態）信号を出力するＯＭＵ（原子共鳴器）１と、ＯＭＵ１の出力信号を増幅する増幅器２と、増幅器２の出力信号と低周波発振器９の出力信号（位相変調信号２３）とを位相検波して周波数制御信号を生成する位相検波器５と、増幅器２の出力信号を検出してＯＭＵ１の入力周波数が共鳴周波数近傍に達した状態か否かを判定する共鳴前駆検出部３と、増幅器２の出力信号を検出してＯＭＵ１の入力周波数が共鳴周波数に達した状態か否かを判定する共鳴検出部４と、非ロック状態において周波数の引き込みを行なうためのスイープ電圧を生成するスイープ電圧生成手段６と、ループフィルタ７と、積分回路６ｂの出力する制御電圧に従い出力周波数が制御されるＶＣＸＯ８と、ＶＣＸＯ８の出力信号をマイクロ波２２に逓倍するとともに、低周波発振器９の出力信号にてこれを位相変調して出力する逓倍及び位相変調部１０と、位相変調信号２３を発振する低周波発振器９と、を備えて構成されている。
【００１３】
尚、スイープ電圧生成手段６は、非ロック状態において所定の電圧信号を生成する電圧信号生成回路６ａと、電圧信号生成回路６ａから供給される電圧信号を積分処理してスイープ電圧を生成する積分回路６ｂと、電圧信号生成回路６ａと積分回路６ｂを電気的に断接するスイッチ（断接手段）１１と、を備えている。
【００１４】
次に本発明の一実施形態に係るルビジウム原子発振器１００の概略動作について説明する。電源起動直後、ＶＣＸＯ８の周波数はロック範囲外になっており、ＯＭＵ１の出力はほとんど断状態になっているので、共鳴検出部４はＯＭＵ１の出力信号（共鳴信号）を検出できない状態にある。このときスイッチ１１は閉じた状態にあり、積分回路６ｂに電圧信号生成回路６ａが接続された状態となっている。これにより電圧信号生成回路６ａからスイープ電圧を生成するための電圧信号が積分器６ｂに供給される。その結果、積分回路６ｂはその電圧を積分処理してスイープ電圧を発生する。そのスイープ電圧はループフィルタ７を介してＶＣＸＯ８に制御電圧として入力される。ＶＣＸＯ８はその制御電圧に基づいて発振周波数を制御して、逓倍及び位相変調部１０に入力されてマイクロ波２２としてＯＭＵ１に供給される。ＯＭＵ１の出力信号は増幅器２によって増幅され共鳴前駆検出部３、共鳴信号検出部４、及び位相検波器５に入力される。
この状態でスイープ信号が共鳴周波数の近傍になる電圧まで変化すると、共鳴前駆検出部３は増幅部２の出力信号（共鳴信号）を検出して、ＯＭＵ１の入力周波数が共鳴周波数近傍になった状態であると判定し制御信号を出力する。この制御信号により、電圧信号生成回路６ａを制御して掃引速度が遅くなる電圧を一定時間（例えば１０秒）発生する（詳細は後述する）。これにより、積分回路６ｂはスイープ電圧の勾配を緩やかにする（掃引速度が遅い）ように変化させる。その結果、ＶＣＸＯ８は制御電圧の変化が遅くなるので、発振周波数も緩やかに変化してロック状態に引き込むことが容易となる。そして、共鳴信号検出部４が増幅部２の出力信号（共鳴信号）を検出して、ＯＭＵ１の入力周波数が共鳴周波数に一致したと判定すると（ロック状態）切替信号をスイッチ１１に出力し、スイッチ１１を動作させて電圧信号生成回路６ａを積分回路６ｂから切り離す。これにより、それ以降の動作は、位相検波器５からの信号に基づいて周波数制御が行われ、ロック状態が維持される。
【００１５】
スイープ電圧は原子発振器の電源投入時や非ロック状態になったときに、原子発振器をロック状態に引き込むためにＶＣＸＯ８の制御電圧を直線的に変化させる電圧である。このとき共鳴検出部４がスイープ電圧の掃引速度に追従できる検出特性を持っていれば良いが、周波数可変幅が広く周波数安定度が低いＶＣＸＯ８を使用した場合は、ＶＣＸＯ８の周波数変化が早すぎるため検出が困難となり、ロック状態に容易に移行しない場合がある。そこで本実施形態では、スイープ電圧の掃引速度を２段階に変化させ、ＯＭＵ１の入力周波数が共鳴周波数近傍に達したときに、スイープ電圧の掃引速度を遅くしている。これにより、全体の掃引時間が長くなるのを最小限に抑えると共に、ロック状態に容易に引き込むことができるので、低グレードのＶＣＸＯ８を用いることができる。
【００１６】
図２は本発明の共鳴前駆検出部の内部構成の一例を示す図である。共鳴検出部３は、例えば増幅器２からの出力信号をＲ、Ｃにより構成される積分回路（位相変調信号の１倍の周波数成分のみを選択する回路）により受けてコンパレータ１５の一方の入力端子に接続する。コンパレータ１５の他方の入力には、基準電圧となるＶｒｅｆが接続されている。従って、増幅器２から出力される信号の電圧がＶｒｅｆより大きいとコンパレータ１５から信号が出力される。その信号はパルス伸張部１６に入力される。パルス伸張部１６は信号の立ち上がりを検出して一定幅（例えば１０秒）のパルスを出力して電圧生成回路６ａに入力する。
なお、上述したように、ＯＭＵ１の入力周波数が共鳴周波数近傍に達したことを共鳴前駆検出部３が検出した場合、掃引速度を遅くするわけであるが、この時間は可能な限り短いことが好ましい。そこで本実施形態では、共鳴周波数近傍に達したことを検出すると、その時点から例えば１０秒位の時間だけ掃引速度が遅くなるように切り替えるものである。これにより、ＯＭＵ１の入力周波数が共鳴周波数近傍に達したことを検出すると自動的に所定時間後に元の掃引速度に戻り、全体の掃引時間の遅れを最小限にすることができる。
【００１７】
図３は本発明のスイープ電圧生成手段の内部構成の一例を示す図である。このスイープ電圧生成手段６は、非ロック状態において所定の電圧信号を生成する電圧信号生成回路６ａと、電圧信号生成回路６ａから供給される電圧信号を積分処理してスイープ電圧を生成する積分回路６ｂと、電圧信号生成回路６ａと積分回路６ｂを電気的に断接するスイッチ１１と、を備え、ＯＭＵ１の入力周波数が共鳴周波数近傍に達しない場合は、スイッチ１１を閉じた状態とし、ＯＭＵ１の入力周波数が共鳴周波数に達した場合は、スイッチ１１を開いた状態とするものである。このように、本発明の最も大きな特徴は、積分器６ｂに供給する電圧信号をロック状態と非ロック状態により切り替えるためにスイッチ１１を備え、ロック状態においてはスイッチ１１を開いた状態（断状態）にして位相検波器５からの信号により積分器６ｂを動作させ、非ロック状態においては、スイッチ１１を閉じた状態にして電圧信号生成回路６ａからの電圧信号により積分器６ｂを動作させてスイープ電圧を供給するようにしている。これにより、１つの積分器６ｂをロック状態と非ロック状態で共通に使用することが可能となり、回路規模を削減することができる。
【００１８】
尚、電圧信号生成回路６ａは、共鳴前駆検出部３により制御されるＳＷ−ｂ、ＳＷ−ｃ（第１の切替手段）と、スイープ電圧の閾値（Ｖｒｅｆ２Ｈｙｓ１、Ｖｒｅｆ２Ｈｙｓ２）によりスイープ電圧の掃引方向を制御するＳＷ−ａ（第２の切替手段）と、コンパレータ１８と、積分の時定数を決定する抵抗Ｒ１、コンデンサＣ１と、を備えている。また、ＳＷ−ａの中点ｃには掃引周期ごとに極性が変化する電圧Ｖａが出力されている。
即ち、共鳴前駆検出部３は、ＯＭＵ１の入力周波数が共鳴周波数近傍に達しない場合は、ＳＷ−ｂとＳＷ−ｃを接点ｂ（通常の掃引速度側）側に切り替える。これにより、積分回路６ｂの時定数は、Ｒ１、Ｃ１、Ｃ２により決定され、スイープ電圧はＶｒｅｆ２により制御される。また、ＯＭＵ１の入力周波数が共鳴周波数近傍に達した場合は、ＳＷ−ｂとＳＷ−ｃを接点ａ（掃引速度が遅くなる側）側に切り替える。これにより、積分回路６ｂの時定数は、Ｒ１、Ｃ１、Ｃ２により決定されるが、スイープ電圧はＶｒｅｆ３Ｌ又はＶｒｅｆ３Ｈにより制御される。
【００１９】
前述したように、ロック状態と非ロック状態は、共鳴信号の特定の周波数成分を検出することにより可能である。即ち、ロック状態では位相変調信号の２倍の周波数成分のみが検出され、非ロック状態では位相変調信号の２倍の周波数成分はほとんど検出されない。また、非ロック状態において、ＯＭＵ１の入力周波数が共鳴周波数近傍に達した場合は、位相変調信号の１倍の周波数成分が検出される。そこで本実施形態では、この位相変調信号の１倍の周波数成分と２倍の周波数成分をそれぞれ検出する共鳴前駆検出部３と共鳴検出部４とを備え、電圧信号生成回路６ａ内に、共鳴前駆検出部３により制御されるＳＷ−ａと、スイープ電圧の閾値によりスイープ電圧の掃引方向を制御するＳＷ−ｂと、を備え、位相周波数信号の１倍の周波数成分が検出されると（即ち、共鳴周波数近傍に達した場合）ＳＷ−ａをコンパレータ１８（掃引速度が遅くなる側）に切り替えるものである。これにより、全体の掃引時間の遅れを最小限にしながら、共鳴周波数近傍でロック状態を容易に行うことができる。
【００２０】
次に本発明のスイープ電圧生成手段の動作を詳細に説明する。図４と図５を参照して説明する。図４は共鳴前駆検出部が共鳴信号を検出できない場合のスイープ電圧の図であり、図５は共鳴前駆検出部が共鳴信号を検出できた場合のスイープ電圧の図である。
電源起動直後、ＶＣＸＯ８の周波数はロック範囲外となっており、共鳴前駆検出部３と共鳴検出部４は共に共鳴信号を検出することができない状態である。このとき、ＳＷ−ａ、ＳＷ−ｂ、ＳＷ−ｃは図３に示す状態であり、電圧信号生成回路６ａと積分回路６ｂが接続された状態である。この状態では、積分回路６ｂからは図４のようなスイープ電圧が発生される。即ち、Ｖｒｅｆ２Ｈｙｓ１（Ｐ）からＶｒｅｆ２Ｈｙｓ２（Ｑ）まで直線的に増加する波形２０と、Ｑ点からＶｒｅｆ１（Ｒ）まで直線的に減少する波形２１の繰り返し電圧が発生する。このときの掃引周期（Ｔ）は、Ｒ１、Ｃ１、Ｃ２とＶｒｅｆ１に対するＶｒｅｆ４ＨまたはＶｒｅｆ４Ｌの電位差によって決定される。
【００２１】
そして、スイープ電圧に従ってＶＣＸＯ８の周波数が変化していき、ＯＭＵ１の入力周波数が共鳴周波数近傍になると、共鳴前駆検出部３は共鳴信号を検出する。このとき、共鳴検出部４が共鳴信号を検出しないように、共鳴前駆検出部４の検出電圧の閾値を共鳴検出部３と異なるように設定しておく。共鳴前駆検出部３が検出した共鳴信号をパルス伸張部１６に入力して一定幅（約１０秒）のパルス１７を出力する。ＳＷ−ｂおよびＳＷ−ｃはパルス１７がＨｉの間は接点がａ側に接続するように構成されている。そのときＳＷ−ａの接点はｂ側に接続されており、Ｖｒｅｆ３Ｈの電圧がＲ１に供給される。このとき、ＳＷ−ｂが切り替わる前に現れていたＶｒｅｆ４Ｈに対して、Ｖｒｅｆ３Ｈの電圧値をＶｒｅｆ１よりわずかに異なる値に設定しておくと、図５のようにＳＷ−ｂが切り替わった直後（Ｓ点、時刻Ｔ１）から電圧変化が緩やかになり、等価的に掃引速度が遅くなる。図５ではＳ点からＴ点のような変化となる。この結果、Ｓ点からＴ点まではスイープ電圧の変化が遅くなるので、ＶＣＸＯ８の周波数はゆっくりと変化する。そして、Ｓ点からＴ点の間でＯＭＵ１の入力周波数が共鳴周波数に殆ど一致するところまで近づくと、共鳴検出部４は共鳴信号を検出して、掃引停止信号を送出してスイッチ１１を断状態とする。尚、ここでＳ点からＴ点の間でＯＭＵ１の入力周波数が共鳴周波数に一致しないと、ＳＷ−ｂの接点がｂ側に戻るので、掃引速度が元の速度に戻ってＴ点からＵ点まで掃引する。そして、コンパレータ１８の入力がＶｒｅｆ２Ｈｙｓ２より高くなるとＶｃｏｍｐ信号を出力して、ＳＷ−ａの接点をａ側に接続する。接点ａ側にはＶｒｅｆ３Ｌの電圧が接続されており、その電圧がスイープ電圧がＵ点からＶ点に降下して掃引速度を遅くする区間Ｖ点からＷ点の充電電圧となる。このように、本発明においては１周期の掃引周期は時間ｔだけ遅くなるが、全体として遅れを最小限にすることができる。
尚、スイープ電圧が上昇する場合について説明したが、電圧Ｖａの極性が反転することにより、図５のＵ点からＸ点までの動作となる。
【００２２】
図６はＯＭＵ検出出力の変化の様子を示す図である。スイッチ１１が断状態となると、ＶＣＸＯ８へのフィードバック制御が働き、ＯＭＵ１の入力周波数が共鳴周波数にロックされて維持される（同期保持状態に移行）。即ち、図６のＡ−Ｂ間は掃引速度が早い状態を示し、Ｂ点で共鳴前駆検出部３が共鳴信号を検出する。Ｂ−Ｃ間ではＳＷ−ｂおよびＳＷ−ｃが接点ａ側に接続されて掃引速度が遅い状態である。そしてＣ点で共鳴検出部４が共鳴信号を検出してスイッチ１１を断状態にして掃引を停止する。Ｃ−Ｄ間はフィードバック制御が働き、ＯＭＵ１の入力周波数はＤ点に維持される。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施形態に係るルビジウム原子発振器のブロック図である。
【図２】本発明の共鳴前駆検出部の内部構成の一例を示す図である。
【図３】本発明のスイープ電圧生成手段の内部構成の一例を示す図である。
【図４】共鳴前駆検出部が共鳴信号を検出できない場合のスイープ電圧の図である。
【図５】共鳴前駆検出部が共鳴信号を検出できた場合のスイープ電圧の図である。
【図６】ＯＭＵ検出出力の変化の様子を示す図である。
【図７】原子共鳴器の光出力とマイクロ波周波数の関係を表す図である。
【符号の説明】
【００２４】
１ ＯＭＵ、２ 増幅器、３ 共鳴前駆検出部、４ 共鳴検出部、５ 位相検波器、６ スイープ電圧生成手段、６ａ 電圧信号生成回路、６ｂ 積分回路、７ ループフィルタ、８ ＶＣＸＯ、９ 低周波発振器、１０ 逓倍及び位相変調部、２２ マイクロ波、２３ 位相変調信号、１００ ルビジウム原子発振器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ルビジウム原子発振器に関し、さらに詳しくは、非ロック状態が発生した際に、周波数の引き込みを行なうためのスイープ電圧の掃引速度を変化させてロック状態に容易に引き込むための回路技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、通信網や放送網等のディジタルネットワーク化が進み、これに伴い、伝送装置のクロック信号や放送局の基準周波数の生成に使用されるクロック源として、高精度・高安定な発振器が必要不可欠なものとなっている。そのような要請を満たす発振器として、発振周波数の精度・安定度が高いルビジウム原子発振器が多く用いられている。しかし、そのようなルビジウム原子発振器に用いられているＶＣＸＯは、周波数可変幅が狭く周波数安定度が高い特性が要求されるため、コスト的に高価なものが使用されている。
尚、低コストのＶＣＸＯを用いた原子発振器として特許文献１には、鋸歯状の電圧を出力する掃引電圧発生器及び切替器を備え、共鳴検出器出力より原子共鳴信号が出力されないときは、切替器では掃引電圧発生器の出力を選択し、掃引電圧発生器の出力電圧の変化によりＶＣＸＯの周波数を変化させ、共鳴検出器より２倍波成分が出力されると、切替器により積分器の出力を選択すると同時に積分器の動作を行わせるように構成する原子発振器について開示されている。
【特許文献１】特開平１−２８０９２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献１に開示されている従来技術は、電源起動直後の共鳴信号が検出されない非ロック状態では、ＶＣＸＯの出力周波数が掃引電圧発生器の出力電圧（掃引信号）とその掃引周期Ｔに従い、出力周波数がほぼ直線的に変化する。（ある周波数範囲を繰り返し周波数掃引）ところが、共鳴検出器が共鳴信号を検出できる周波数範囲は数Ｈｚ程度のごく狭い周波数範囲に限られているので、ＶＣＸＯの周波数掃引速度が速すぎると（掃引周期Ｔが小さいと）、共鳴検出部は共鳴信号を検出できないことがある。即ち、低コストＶＣＸＯは周波数可変幅が大きく周波数感度が高いため、使用するＶＣＸＯの周波数感度に比べて周波数掃引速度が速すぎると、共鳴信号をうまく検出できずに周波数掃引の状態が続いたままとなり、周波数をロックすることができないといった現象が発生することがある。
従って、この現象を回避するには、ＶＣＸＯの周波数感度に応じて、周波数掃引速度（掃引期Ｔ）を十分遅くする必要がある。ところが、周波数掃引速度（掃引周期Ｔ）を遅くすることは、逆に周波数がロックするまでの同期時間が長くなってしまうということであり、短時間でのロックという市場の要求に十分応えることができないといった問題がある。
【０００４】
本発明は、かかる課題に鑑み、ロック状態になる近傍まで従来の掃引速度によるスイープ信号を発生し、ロック状態近傍から掃引速度を遅くすることにより、全体の掃引時間が長くなるのを最小限に抑えると共に、ロック状態に容易に引き込むことができるようにして、低グレードのＶＣＸＯを用いることを可能とした低コストの原子発振器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明はかかる課題を解決するために、ルビジウムを用いた原子共鳴器と、該原子共鳴器の共鳴周波数に同期するように制御電圧を生成する周波数制御部と、前記制御電圧によって発振周波数が制御される電圧制御発振器と、を備えたルビジウム原子発振器であって、非ロック状態において周波数の引き込みを行なうためのスイープ電圧を生成するスイープ電圧生成手段を備え、該スイープ電圧生成手段は、前記原子共鳴器の入力周波数が共鳴周波数近傍に達したときに、前記スイープ電圧の掃引速度を遅くすることを特徴とする。
スイープ電圧は原子発振器の電源投入時や非ロック状態になったときに、原子発振器をロック状態に引き込むために電圧制御発振器の制御電圧を直線的に変化させる電圧である。このとき電圧制御発振器の特性がスイープ電圧の掃引速度に追従できる特性を持っていれば良いが、周波数可変幅が広く周波数安定度が低い電圧制御発振器を使用した場合は、ロック状態に容易にならない場合がある。そこで本発明では、スイープ電圧の掃引速度を２段階に変化させるために、原子共鳴器の入力周波数が共鳴周波数近傍に達したときに、スイープ電圧の掃引速度を遅くするものである。これにより、全体の掃引時間が長くなるのを最小限に抑えると共に、ロック状態に容易に引き込むことができるので、低グレードの電圧制御発振器を用いることができる。
【０００６】
また、前記スイープ電圧生成手段は、前記非ロック状態において所定の電圧信号を生成する電圧信号生成回路と、該電圧信号生成回路から供給される電圧信号を積分処理して前記スイープ電圧を生成する積分回路と、前記電圧信号生成回路と前記積分回路を電気的に断接する断接手段と、を備え、前記原子共鳴器の入力周波数が共鳴周波数近傍の場合は、前記断接手段を接続状態とし、前記原子共鳴器の入力周波数が共鳴周波数に達した場合は、前記断接手段を断状態とすることを特徴とする。
本発明の最も大きな特徴は、積分器に供給する電圧信号をロック状態と非ロック状態により切り替えるために断接手段を備え、ロック状態においては断接手段を断状態にして位相検波からの信号により積分器を動作させ、非ロック状態においては、断接手段を接続状態にして電圧信号生成回路からの電圧信号により積分器を動作させてスイープ電圧を発生するようにしている。これにより、１つの積分器をロック状態と非ロック状態で共通に使用することが可能となり、回路規模を削減することができる。
【０００７】
また、前記原子共鳴器の入力周波数が共鳴周波数近傍に達したことを検出する共鳴前駆検出部と、前記原子共鳴器の入力周波数が共鳴周波数に達したことを検出する共鳴検出部と、を備え、前記電圧信号生成回路は、前記共鳴前駆検出部により制御される切替手段を備え、前記共鳴前駆検出部は、前記原子共鳴器の入力周波数が共鳴周波数近傍に達しない範囲では、前記第１の切替手段を通常の掃引速度側に切り替え、前記原子共鳴器の入力周波数が共鳴周波数近傍に達した場合は、前記第１の切替手段を前記掃引速度が遅くなる側に切り替えることを特徴とする。
【０００８】
ロック状態と非ロック状態は、原子共鳴器が出力する共鳴信号の周波数成分を検出することにより可能である。即ち、ロック状態では後述する位相変調信号の２倍の周波数成分が検出され、非ロック状態では検出されないが、非ロック状態でも共鳴周波数近傍に達した場合は、位相変調信号の１倍の周波数成分が検出される。そこで本発明では、この位相変調信号の１倍の周波数成分と２倍の周波数成分をそれぞれ検出する共鳴前駆検出部と共鳴検出部とを備え、電圧信号生成回路内に、共鳴前駆検出部により制御される切替手段を備え、位相変調信号の１倍の周波数成分が検出されると（即ち、共鳴周波数近傍に達した場合）切替手段を掃引速度が遅くなる側に切り替えるものである。これにより、全体の掃引時間の遅れを最小限にしながら、共鳴周波数近傍でロック状態を容易に行うことができる。
【０００９】
また、前記共鳴前駆検出部は、前記原子共鳴器の入力周波数が共鳴周波数近傍に達したときに前記切替手段を前記掃引速度が遅くなる側に所定時間切り替えることを特徴とする。
ここで、共鳴前駆検出部が共鳴周波数近傍に達したことを検出した場合、掃引速度を遅くするわけであるが、前駆検出部がノイズ等を誤検出することがあり、掃引速度を遅くする時間は可能な限り短くするのが好ましい。そこで本発明では、共鳴周波数近傍に達したことを検出すると、その時点から例えば１０秒位の時間だけ切替手段を掃引速度が遅くなる側に切り替えるようにしている。これにより、共鳴前駆検出部が信号を誤検出した場合でも、速やかに元の掃引速度に戻り、全体の掃引時間の遅れを最小限にすることができる。
【００１０】
また、前記共鳴検出部は、前記位相変調信号の２倍の周波数成分を検出することにより、前記電圧信号生成回路と前記積分回路とが断状態となるように前記断接手段を制御することを特徴とする。
共鳴検出部が原子共鳴器の入力周波数が共鳴周波数に達したことを検出すると、スイープ電圧の掃引を停止して、位相検波による制御に切り替える必要がある。そこで本発明では、共鳴検出部が位相変調信号の２倍の周波数成分を検出すると、断接手段を断状態にして積分回路から電圧信号生成回路を切り離して、位相検波による制御に切り替えるものである。これにより、積分器の時定数を位相検波器からの出力信号に追従させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
【００１２】
図１は本発明の一実施形態に係るルビジウム原子発振器のブロック図である。このルビジウム原子発振器１００は、逓倍及び位相変調部１０から入力されたマイクロ波（位相変調された高周波信号）２２を検出し、マイクロ波２２の中心周波数が原子共鳴周波数（ｆ０）に等しいと、位相変調信号の周波数（ｆｍ）の２倍の周波数成分２ｆｍ（図７の符号２５の状態）が出力され、マイクロ波２２の中心周波数が原子共鳴周波数（ｆ０）からずれると、２ｆｍの周波数成分が減少していきｆｍの周波数成分が増加する（図７の符号２６、２７の状態）信号を出力するＯＭＵ（原子共鳴器）１と、ＯＭＵ１の出力信号を増幅する増幅器２と、増幅器２の出力信号と低周波発振器９の出力信号（位相変調信号２３）とを位相検波して周波数制御信号を生成する位相検波器５と、増幅器２の出力信号を検出してＯＭＵ１の入力周波数が共鳴周波数近傍に達した状態か否かを判定する共鳴前駆検出部３と、増幅器２の出力信号を検出してＯＭＵ１の入力周波数が共鳴周波数に達した状態か否かを判定する共鳴検出部４と、非ロック状態において周波数の引き込みを行なうためのスイープ電圧を生成するスイープ電圧生成手段６と、ループフィルタ７と、積分回路６ｂの出力する制御電圧に従い出力周波数が制御されるＶＣＸＯ８と、ＶＣＸＯ８の出力信号をマイクロ波２２に逓倍するとともに、低周波発振器９の出力信号にてこれを位相変調して出力する逓倍及び位相変調部１０と、位相変調信号２３を発振する低周波発振器９と、を備えて構成されている。
【００１３】
尚、スイープ電圧生成手段６は、非ロック状態において所定の電圧信号を生成する電圧信号生成回路６ａと、電圧信号生成回路６ａから供給される電圧信号を積分処理してスイープ電圧を生成する積分回路６ｂと、電圧信号生成回路６ａと積分回路６ｂを電気的に断接するスイッチ（断接手段）１１と、を備えている。
【００１４】
次に本発明の一実施形態に係るルビジウム原子発振器１００の概略動作について説明する。電源起動直後、ＶＣＸＯ８の周波数はロック範囲外になっており、ＯＭＵ１の出力はほとんど断状態になっているので、共鳴検出部４はＯＭＵ１の出力信号（共鳴信号）を検出できない状態にある。このときスイッチ１１は閉じた状態にあり、積分回路６ｂに電圧信号生成回路６ａが接続された状態となっている。これにより電圧信号生成回路６ａからスイープ電圧を生成するための電圧信号が積分器６ｂに供給される。その結果、積分回路６ｂはその電圧を積分処理してスイープ電圧を発生する。そのスイープ電圧はループフィルタ７を介してＶＣＸＯ８に制御電圧として入力される。ＶＣＸＯ８はその制御電圧に基づいて発振周波数を制御して、逓倍及び位相変調部１０に入力されてマイクロ波２２としてＯＭＵ１に供給される。ＯＭＵ１の出力信号は増幅器２によって増幅され共鳴前駆検出部３、共鳴信号検出部４、及び位相検波器５に入力される。
この状態でスイープ信号が共鳴周波数の近傍になる電圧まで変化すると、共鳴前駆検出部３は増幅部２の出力信号（共鳴信号）を検出して、ＯＭＵ１の入力周波数が共鳴周波数近傍になった状態であると判定し制御信号を出力する。この制御信号により、電圧信号生成回路６ａを制御して掃引速度が遅くなる電圧を一定時間（例えば１０秒）発生する（詳細は後述する）。これにより、積分回路６ｂはスイープ電圧の勾配を緩やかにする（掃引速度が遅い）ように変化させる。その結果、ＶＣＸＯ８は制御電圧の変化が遅くなるので、発振周波数も緩やかに変化してロック状態に引き込むことが容易となる。そして、共鳴信号検出部４が増幅部２の出力信号（共鳴信号）を検出して、ＯＭＵ１の入力周波数が共鳴周波数に一致したと判定すると（ロック状態）切替信号をスイッチ１１に出力し、スイッチ１１を動作させて電圧信号生成回路６ａを積分回路６ｂから切り離す。これにより、それ以降の動作は、位相検波器５からの信号に基づいて周波数制御が行われ、ロック状態が維持される。
【００１５】
スイープ電圧は原子発振器の電源投入時や非ロック状態になったときに、原子発振器をロック状態に引き込むためにＶＣＸＯ８の制御電圧を直線的に変化させる電圧である。このとき共鳴検出部４がスイープ電圧の掃引速度に追従できる検出特性を持っていれば良いが、周波数可変幅が広く周波数安定度が低いＶＣＸＯ８を使用した場合は、ＶＣＸＯ８の周波数変化が早すぎるため検出が困難となり、ロック状態に容易に移行しない場合がある。そこで本実施形態では、スイープ電圧の掃引速度を２段階に変化させ、ＯＭＵ１の入力周波数が共鳴周波数近傍に達したときに、スイープ電圧の掃引速度を遅くしている。これにより、全体の掃引時間が長くなるのを最小限に抑えると共に、ロック状態に容易に引き込むことができるので、低グレードのＶＣＸＯ８を用いることができる。
【００１６】
図２は本発明の共鳴前駆検出部の内部構成の一例を示す図である。共鳴検出部３は、例えば増幅器２からの出力信号をＲ、Ｃにより構成される積分回路（位相変調信号の１倍の周波数成分のみを選択する回路）により受けてコンパレータ１５の一方の入力端子に接続する。コンパレータ１５の他方の入力には、基準電圧となるＶｒｅｆが接続されている。従って、増幅器２から出力される信号の電圧がＶｒｅｆより大きいとコンパレータ１５から信号が出力される。その信号はパルス伸張部１６に入力される。パルス伸張部１６は信号の立ち上がりを検出して一定幅（例えば１０秒）のパルスを出力して電圧生成回路６ａに入力する。
なお、上述したように、ＯＭＵ１の入力周波数が共鳴周波数近傍に達したことを共鳴前駆検出部３が検出した場合、掃引速度を遅くするわけであるが、この時間は可能な限り短いことが好ましい。そこで本実施形態では、共鳴周波数近傍に達したことを検出すると、その時点から例えば１０秒位の時間だけ掃引速度が遅くなるように切り替えるものである。これにより、ＯＭＵ１の入力周波数が共鳴周波数近傍に達したことを検出すると自動的に所定時間後に元の掃引速度に戻り、全体の掃引時間の遅れを最小限にすることができる。
【００１７】
図３は本発明のスイープ電圧生成手段の内部構成の一例を示す図である。このスイープ電圧生成手段６は、非ロック状態において所定の電圧信号を生成する電圧信号生成回路６ａと、電圧信号生成回路６ａから供給される電圧信号を積分処理してスイープ電圧を生成する積分回路６ｂと、電圧信号生成回路６ａと積分回路６ｂを電気的に断接するスイッチ１１と、を備え、ＯＭＵ１の入力周波数が共鳴周波数近傍に達しない場合は、スイッチ１１を閉じた状態とし、ＯＭＵ１の入力周波数が共鳴周波数に達した場合は、スイッチ１１を開いた状態とするものである。このように、本発明の最も大きな特徴は、積分器６ｂに供給する電圧信号をロック状態と非ロック状態により切り替えるためにスイッチ１１を備え、ロック状態においてはスイッチ１１を開いた状態（断状態）にして位相検波器５からの信号により積分器６ｂを動作させ、非ロック状態においては、スイッチ１１を閉じた状態にして電圧信号生成回路６ａからの電圧信号により積分器６ｂを動作させてスイープ電圧を供給するようにしている。これにより、１つの積分器６ｂをロック状態と非ロック状態で共通に使用することが可能となり、回路規模を削減することができる。
【００１８】
尚、電圧信号生成回路６ａは、共鳴前駆検出部３により制御されるＳＷ−ｂ、ＳＷ−ｃ（第１の切替手段）と、スイープ電圧の閾値（Ｖｒｅｆ２Ｈｙｓ１、Ｖｒｅｆ２Ｈｙｓ２）によりスイープ電圧の掃引方向を制御するＳＷ−ａ（第２の切替手段）と、コンパレータ１８と、積分の時定数を決定する抵抗Ｒ１、コンデンサＣ１と、を備えている。また、ＳＷ−ａの中点ｃには掃引周期ごとに極性が変化する電圧Ｖａが出力されている。
即ち、共鳴前駆検出部３は、ＯＭＵ１の入力周波数が共鳴周波数近傍に達しない場合は、ＳＷ−ｂとＳＷ−ｃを接点ｂ（通常の掃引速度側）側に切り替える。これにより、積分回路６ｂの時定数は、Ｒ１、Ｃ１、Ｃ２により決定され、スイープ電圧はＶｒｅｆ２により制御される。また、ＯＭＵ１の入力周波数が共鳴周波数近傍に達した場合は、ＳＷ−ｂとＳＷ−ｃを接点ａ（掃引速度が遅くなる側）側に切り替える。これにより、積分回路６ｂの時定数は、Ｒ１、Ｃ１、Ｃ２により決定されるが、スイープ電圧はＶｒｅｆ３Ｌ又はＶｒｅｆ３Ｈにより制御される。
【００１９】
前述したように、ロック状態と非ロック状態は、共鳴信号の特定の周波数成分を検出することにより可能である。即ち、ロック状態では位相変調信号の２倍の周波数成分のみが検出され、非ロック状態では位相変調信号の２倍の周波数成分はほとんど検出されない。また、非ロック状態において、ＯＭＵ１の入力周波数が共鳴周波数近傍に達した場合は、位相変調信号の１倍の周波数成分が検出される。そこで本実施形態では、この位相変調信号の１倍の周波数成分と２倍の周波数成分をそれぞれ検出する共鳴前駆検出部３と共鳴検出部４とを備え、電圧信号生成回路６ａ内に、共鳴前駆検出部３により制御されるＳＷ−ａと、スイープ電圧の閾値によりスイープ電圧の掃引方向を制御するＳＷ−ｂと、を備え、位相周波数信号の１倍の周波数成分が検出されると（即ち、共鳴周波数近傍に達した場合）ＳＷ−ａをコンパレータ１８（掃引速度が遅くなる側）に切り替えるものである。これにより、全体の掃引時間の遅れを最小限にしながら、共鳴周波数近傍でロック状態を容易に行うことができる。
【００２０】
次に本発明のスイープ電圧生成手段の動作を詳細に説明する。図４と図５を参照して説明する。図４は共鳴前駆検出部が共鳴信号を検出できない場合のスイープ電圧の図であり、図５は共鳴前駆検出部が共鳴信号を検出できた場合のスイープ電圧の図である。
電源起動直後、ＶＣＸＯ８の周波数はロック範囲外となっており、共鳴前駆検出部３と共鳴検出部４は共に共鳴信号を検出することができない状態である。このとき、ＳＷ−ａ、ＳＷ−ｂ、ＳＷ−ｃは図３に示す状態であり、電圧信号生成回路６ａと積分回路６ｂが接続された状態である。この状態では、積分回路６ｂからは図４のようなスイープ電圧が発生される。即ち、Ｖｒｅｆ２Ｈｙｓ１（Ｐ）からＶｒｅｆ２Ｈｙｓ２（Ｑ）まで直線的に増加する波形２０と、Ｑ点からＶｒｅｆ１（Ｒ）まで直線的に減少する波形２１の繰り返し電圧が発生する。このときの掃引周期（Ｔ）は、Ｒ１、Ｃ１、Ｃ２とＶｒｅｆ１に対するＶｒｅｆ４ＨまたはＶｒｅｆ４Ｌの電位差によって決定される。
【００２１】
そして、スイープ電圧に従ってＶＣＸＯ８の周波数が変化していき、ＯＭＵ１の入力周波数が共鳴周波数近傍になると、共鳴前駆検出部３は共鳴信号を検出する。このとき、共鳴検出部４が共鳴信号を検出しないように、共鳴前駆検出部４の検出電圧の閾値を共鳴検出部３と異なるように設定しておく。共鳴前駆検出部３が検出した共鳴信号をパルス伸張部１６に入力して一定幅（約１０秒）のパルス１７を出力する。ＳＷ−ｂおよびＳＷ−ｃはパルス１７がＨｉの間は接点がａ側に接続するように構成されている。そのときＳＷ−ａの接点はｂ側に接続されており、Ｖｒｅｆ３Ｈの電圧がＲ１に供給される。このとき、ＳＷ−ｂが切り替わる前に現れていたＶｒｅｆ４Ｈに対して、Ｖｒｅｆ３Ｈの電圧値をＶｒｅｆ１よりわずかに異なる値に設定しておくと、図５のようにＳＷ−ｂが切り替わった直後（Ｓ点、時刻Ｔ１）から電圧変化が緩やかになり、等価的に掃引速度が遅くなる。図５ではＳ点からＴ点のような変化となる。この結果、Ｓ点からＴ点まではスイープ電圧の変化が遅くなるので、ＶＣＸＯ８の周波数はゆっくりと変化する。そして、Ｓ点からＴ点の間でＯＭＵ１の入力周波数が共鳴周波数に殆ど一致するところまで近づくと、共鳴検出部４は共鳴信号を検出して、掃引停止信号を送出してスイッチ１１を断状態とする。尚、ここでＳ点からＴ点の間でＯＭＵ１の入力周波数が共鳴周波数に一致しないと、ＳＷ−ｂの接点がｂ側に戻るので、掃引速度が元の速度に戻ってＴ点からＵ点まで掃引する。そして、コンパレータ１８の入力がＶｒｅｆ２Ｈｙｓ２より高くなるとＶｃｏｍｐ信号を出力して、ＳＷ−ａの接点をａ側に接続する。接点ａ側にはＶｒｅｆ３Ｌの電圧が接続されており、その電圧がスイープ電圧がＵ点からＶ点に降下して掃引速度を遅くする区間Ｖ点からＷ点の充電電圧となる。このように、本発明においては１周期の掃引周期は時間ｔだけ遅くなるが、全体として遅れを最小限にすることができる。
尚、スイープ電圧が上昇する場合について説明したが、電圧Ｖａの極性が反転することにより、図５のＵ点からＸ点までの動作となる。
【００２２】
図６はＯＭＵ検出出力の変化の様子を示す図である。スイッチ１１が断状態となると、ＶＣＸＯ８へのフィードバック制御が働き、ＯＭＵ１の入力周波数が共鳴周波数にロックされて維持される（同期保持状態に移行）。即ち、図６のＡ−Ｂ間は掃引速度が早い状態を示し、Ｂ点で共鳴前駆検出部３が共鳴信号を検出する。Ｂ−Ｃ間ではＳＷ−ｂおよびＳＷ−ｃが接点ａ側に接続されて掃引速度が遅い状態である。そしてＣ点で共鳴検出部４が共鳴信号を検出してスイッチ１１を断状態にして掃引を停止する。Ｃ−Ｄ間はフィードバック制御が働き、ＯＭＵ１の入力周波数はＤ点に維持される。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施形態に係るルビジウム原子発振器のブロック図である。
【図２】本発明の共鳴前駆検出部の内部構成の一例を示す図である。
【図３】本発明のスイープ電圧生成手段の内部構成の一例を示す図である。
【図４】共鳴前駆検出部が共鳴信号を検出できない場合のスイープ電圧の図である。
【図５】共鳴前駆検出部が共鳴信号を検出できた場合のスイープ電圧の図である。
【図６】ＯＭＵ検出出力の変化の様子を示す図である。
【図７】原子共鳴器の光出力とマイクロ波周波数の関係を表す図である。
【符号の説明】
【００２４】
１ ＯＭＵ、２ 増幅器、３ 共鳴前駆検出部、４ 共鳴検出部、５ 位相検波器、６ スイープ電圧生成手段、６ａ 電圧信号生成回路、６ｂ 積分回路、７ ループフィルタ、８ ＶＣＸＯ、９ 低周波発振器、１０ 逓倍及び位相変調部、２２ マイクロ波、２３ 位相変調信号、１００ ルビジウム原子発振器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ルビジウムを用いた原子共鳴器と、該原子共鳴器の共鳴周波数に同期するように制御電圧を生成する周波数制御部と、前記制御電圧によって発振周波数が制御される電圧制御発振器と、を備えたルビジウム原子発振器であって、
非ロック状態において周波数の引き込みを行なうためのスイープ電圧を生成するスイープ電圧生成手段を備え、
該スイープ電圧生成手段は、前記原子共鳴器の入力周波数が共鳴周波数近傍に達したときに、前記スイープ電圧の掃引速度を遅くすることを特徴とするルビジウム原子発振器。
【請求項２】
前記スイープ電圧生成手段は、前記非ロック状態において所定の電圧信号を生成する電圧信号生成回路と、該電圧信号生成回路から供給される電圧信号を積分処理して前記スイープ電圧を生成する積分回路と、前記電圧信号生成回路と前記積分回路を電気的に断接する断接手段と、を備え、
前記原子共鳴器の入力周波数が共鳴周波数近傍の場合は、前記断接手段を接続状態とし、前記原子共鳴器の入力周波数が共鳴周波数に達した場合は、前記断接手段を断状態とすることを特徴とする請求項１に記載のルビジウム原子発振器。
【請求項３】
前記原子共鳴器の入力周波数が共鳴周波数近傍に達したことを検出する共鳴前駆検出部と、前記原子共鳴器の入力周波数が共鳴周波数に達したことを検出する共鳴検出部と、を備え、
前記電圧信号生成回路は、前記共鳴前駆検出部により制御される第１の切替手段を備え、
前記共鳴前駆検出部は、前記原子共鳴器の入力周波数が共鳴周波数近傍に達しないときには、前記切替手段を通常の掃引速度側に切り替え、前記原子共鳴器の入力周波数が共鳴周波数近傍に達したときには、前記第１の切替手段を前記掃引速度が遅くなる側に切り替えることを特徴とする請求項１又は２に記載のルビジウム原子発振器。
【請求項４】
前記電圧信号生成回路は、前記スイープ電圧の掃引方向を切り替える第２の切替手段を更に備えたことを特徴とする請求項３に記載のルビジウム原子発振器。
【請求項５】
前記共鳴前駆検出部は、前記原子共鳴器の入力周波数が共鳴周波数近傍に達したときに前記第１の切替手段を前記掃引速度が遅くなる側に所定時間切り替えることを特徴とする請求項３又は４に記載のルビジウム原子発振器。
【請求項６】
前記原子共鳴器には位相変調信号によって位相変調された高周波信号が入力され、前記共鳴検出部は、前記原子共鳴器が出力する信号のうち前記位相変調信号の２倍の周波数成分を検出することにより、前記電圧信号生成回路と前記積分回路とが断状態となるように前記断接手段を制御することを特徴とする請求項２、３、４又は５に記載のルビジウム原子発振器。
【請求項１】
ルビジウムを用いた原子共鳴器と、該原子共鳴器の共鳴周波数に同期するように制御電圧を生成する周波数制御部と、前記制御電圧によって発振周波数が制御される電圧制御発振器と、を備えたルビジウム原子発振器であって、
非ロック状態において周波数の引き込みを行なうためのスイープ電圧を生成するスイープ電圧生成手段を備え、
該スイープ電圧生成手段は、前記原子共鳴器の入力周波数が共鳴周波数近傍に達したときに、前記スイープ電圧の掃引速度を遅くすることを特徴とするルビジウム原子発振器。
【請求項２】
前記スイープ電圧生成手段は、前記非ロック状態において所定の電圧信号を生成する電圧信号生成回路と、該電圧信号生成回路から供給される電圧信号を積分処理して前記スイープ電圧を生成する積分回路と、前記電圧信号生成回路と前記積分回路を電気的に断接する断接手段と、を備え、
前記原子共鳴器の入力周波数が共鳴周波数近傍の場合は、前記断接手段を接続状態とし、前記原子共鳴器の入力周波数が共鳴周波数に達した場合は、前記断接手段を断状態とすることを特徴とする請求項１に記載のルビジウム原子発振器。
【請求項３】
前記原子共鳴器の入力周波数が共鳴周波数近傍に達したことを検出する共鳴前駆検出部と、前記原子共鳴器の入力周波数が共鳴周波数に達したことを検出する共鳴検出部と、を備え、
前記電圧信号生成回路は、前記共鳴前駆検出部により制御される第１の切替手段を備え、
前記共鳴前駆検出部は、前記原子共鳴器の入力周波数が共鳴周波数近傍に達しないときには、前記切替手段を通常の掃引速度側に切り替え、前記原子共鳴器の入力周波数が共鳴周波数近傍に達したときには、前記第１の切替手段を前記掃引速度が遅くなる側に切り替えることを特徴とする請求項１又は２に記載のルビジウム原子発振器。
【請求項４】
前記電圧信号生成回路は、前記スイープ電圧の掃引方向を切り替える第２の切替手段を更に備えたことを特徴とする請求項３に記載のルビジウム原子発振器。
【請求項５】
前記共鳴前駆検出部は、前記原子共鳴器の入力周波数が共鳴周波数近傍に達したときに前記第１の切替手段を前記掃引速度が遅くなる側に所定時間切り替えることを特徴とする請求項３又は４に記載のルビジウム原子発振器。
【請求項６】
前記原子共鳴器には位相変調信号によって位相変調された高周波信号が入力され、前記共鳴検出部は、前記原子共鳴器が出力する信号のうち前記位相変調信号の２倍の周波数成分を検出することにより、前記電圧信号生成回路と前記積分回路とが断状態となるように前記断接手段を制御することを特徴とする請求項２、３、４又は５に記載のルビジウム原子発振器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００８−１３１１２２（Ｐ２００８−１３１１２２Ａ）
【公開日】平成２０年６月５日（２００８．６．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３１１１０４（Ｐ２００６−３１１１０４）
【出願日】平成１８年１１月１７日（２００６．１１．１７）
【出願人】（０００００３１０４）エプソントヨコム株式会社 (1,528)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年６月５日（２００８．６．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１１月１７日（２００６．１１．１７）
【出願人】（０００００３１０４）エプソントヨコム株式会社 (1,528)
【Ｆターム（参考）】
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