原子発振器
【課題】環境温度に関わらず、ガスセルおよび光出射部を所定温度範囲に保つことができ、安定して所望の特性を発揮することのできる原子発振器を提供すること。
【解決手段】原子発振器１は、ガスセル２、ガスセル２を温調する第１の温度可変部４１、光出射部５および光出射部５を温調する第２の温度可変部４２を収納する第１のパッケージ６と、第１のパッケージ６を温調する第３の温度可変部４３と、温調部４１〜４３の駆動を制御する制御部８とを有する。第１の温度可変部４１がガスセル２を所定温度Ｔａに温調することができるとともに、第２の温度可変部４２が光出射部５を所定温度Ｔｂに温調することができる環境温度の下限値をＴＬとし、上限値をＴＨとしたとき、制御部８は、環境温度がＴＬより低いかＴＨより高い場合に、第３の温度可変部４３を駆動し、第１のパッケージ６の温度をＴＬ以上、ＴＨ以下に維持するよう構成されている。
【解決手段】原子発振器１は、ガスセル２、ガスセル２を温調する第１の温度可変部４１、光出射部５および光出射部５を温調する第２の温度可変部４２を収納する第１のパッケージ６と、第１のパッケージ６を温調する第３の温度可変部４３と、温調部４１〜４３の駆動を制御する制御部８とを有する。第１の温度可変部４１がガスセル２を所定温度Ｔａに温調することができるとともに、第２の温度可変部４２が光出射部５を所定温度Ｔｂに温調することができる環境温度の下限値をＴＬとし、上限値をＴＨとしたとき、制御部８は、環境温度がＴＬより低いかＴＨより高い場合に、第３の温度可変部４３を駆動し、第１のパッケージ６の温度をＴＬ以上、ＴＨ以下に維持するよう構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子発振器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ルビジウム、セシウム等のアルカリ金属の原子のエネルギー遷移に基づいて周波数安定度の高い発振信号を得る原子発振器が知られている（例えば、特許文献１）。
特許文献１に記載の原子発振器は、励起光を出射する光源と、励起光に光学的処理を施す光学レンズおよび偏光板を備える光学系と、ガス状のアルカリ金属原子が封入されたガスセルと、ガスセルを通過した励振光を検出する光検出部とを有している。また、この原子発振器は、所望の特性を安定して発揮するために、ガスセルを所定温度に保つ第１温調手段（例えば、ヒーター）と、光源を所定温度に保つ第２温調手段（例えば、ペルチェ素子）とを有している。
【０００３】
ところで、今後、原子発振器の利用分野が拡大し、幅広い温度域（現状では、−５０℃〜＋８０℃）で使用されることが想定される。しかしながら、第１温調手段や第２温調手段は、その温度制御能力に限りがあり、環境温度によっては、ガスセルや光源を所定温度に保つことが困難な場合もある。例えば、環境温度が−５０℃と極めて低い場合には、ガスセルおよび光源を充分に加熱することができずに、ガスセルおよび光源を所定温度に保持することができない場合がある。
このように、特許文献１の原子発振器では、環境温度に影響されて所望の特性を発揮することができないという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許６３２０４７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、環境温度に関わらず、ガスセルおよび光出射部を所定温度範囲に保つことができ、安定して所望の特性を発揮することのできる原子発振器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
［適用例１］
本発明の原子発振器は、ガスセルと、
前記ガスセルの温度を変化させる手段を有する第１の温度可変部と、
前記ガスセル中の気体の原子を励起する励起光を出射する光出射部と、
前記光出射部の温度を変化させる手段を有する第２の温度可変部と、
前記ガスセルと前記第１の温度可変部と前記光出射部と前記第２の温度可変部を収納する第１のパッケージと、
前記第１のパッケージの温度を変化させる手段を有する第３の温度可変部と、
前記第１の温度可変部、前記第２の温度可変部および前記第３の温度可変部の駆動を制御し、前記ガスセルの温度と前記光出射部の温度と前記第１のパッケージの温度を制御する制御部と、を有し、
前記制御部は、環境温度が所定温度ＴＬより低いか、或いは前記ＴＬよりも高温の所定温度ＴＨより高い場合に、前記第３の温度可変部を駆動することを特徴とする。
これにより、環境温度に関わらず、ガスセルおよび光出射部を所定温度範囲に保つことができ、安定して所望の特性を発揮することのできる原子発振器を提供することができる。
【０００７】
［適用例２］
本発明の原子発振器では、前記制御部は、前記環境温度が前記ＴＬ以上、且つ前記ＴＨ以下の場合に、前記第３の温度可変部の駆動を停止させ、前記第１の温度可変部および前記第２の温度可変部を駆動し、前記ガスセルおよび前記光出射部をそれぞれ所定温度に制御することが好ましい。
これにより、省電力駆動が可能となる。
【０００８】
［適用例３］
本発明の原子発振器では、前記ガスセルの前記所定温度をＴａとし、前記光出射部の前記所定温度をＴｂとしたとき、前記制御部は、前記第１のパッケージの温度をＴａとＴｂの間の温度に制御することが好ましい。
これにより、より効率的かつ確実に、第１の温度可変部によってガスセルを所定温度とするとともに、第２の温度可変部によって光出射部を所定温度とすることができる。また、第１の温度可変部、第２の温度可変部および第３の温度可変部をバランスよく駆動させること、すなわち第１の温度可変部、第２の温度可変部、第３の温度可変部のうちのいずれかの温調部が他の温調部に対して過度に駆動することを防止できるため、省電力駆動が可能となる。また、これにより、各温調部の仕事量を抑えることができ、各温調部の小型化、すなわち原子発振器の小型化を図ることができる。
【０００９】
［適用例４］
本発明の原子発振器では、前記第３の温度可変部は、ペルチェ素子を有し、
前記ペルチェ素子は、一方の面が前記第１のパッケージの外側の面に接触して設けられていることが好ましい。
これにより、第１のパッケージをより精度よく温調することができる。
【００１０】
［適用例５］
本発明の原子発振器では、前記第１のパッケージおよび前記第３の温度可変部を収納する第２のパッケージを有することが好ましい。
これにより、第３の温度可変部によって、第１のパッケージとともに、第２のパッケージの内部空間（すなわち第１のパッケージの周囲）を温調することができるため、より効率的に、第３の温度可変部によって第１のパッケージを温調することができる。
【００１１】
［適用例６］
本発明の原子発振器では、前記第２のパッケージは、前記ペルチェ素子の他方の面と接触して設けられていることが好ましい。
これにより、吸発熱体から発生する熱を原子発振器の外部へ効率的に放出することができる。
［適用例７］
本発明の原子発振器では、前記第２のパッケージは、熱伝導率が１４（Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１）以上の材料で構成されていることが好ましい。
これにより、より効率的に、吸発熱体から発生する熱を原子発振器の外部へ効率的に放出することができる。
【００１２】
［適用例８］
本発明の原子発振器では、前記第１のパッケージは、前記ガスセルおよび前記第１の温度可変部が位置する空間と、前記光出射部および前記第２の温度可変部が位置する空間とを仕切る仕切部を有しており、該仕切部は、光透過性を有していることが好ましい。
ガスセルおよび光出射部をそれぞれ効率的にかつ安定して所定温度に温調することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の好適な実施形態に係る原子発振器の概略構成を示す断面図である。
【図２】図１に示す原子発振器に備えられたガスセル内のアルカリ金属のエネルギー状態を説明するための図である。
【図３】図１に示す原子発振器に備えられた光出射部および光検出部について、光出射部からの２つの光の周波数差と、光検出部の検出強度との関係を示すグラフである。
【図４】環境温度、第２のパッケージの温度、第１のパッケージの温度、ガスセルおよび光出射部の温度の関係の一例を図示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の原子発振器を添付図面に示す好適実施形態に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の好適な実施形態に係る原子発振器の概略構成を示す断面図、図２は、図１に示す原子発振器に備えられたガスセル内のアルカリ金属のエネルギー状態を説明するための図、図３は、図１に示す原子発振器に備えられた光出射部および光検出部について、光出射部からの２つの光の周波数差と、光検出部の検出強度との関係を示すグラフ、図４は、環境温度、第２のパッケージの温度、第１のパッケージの温度、ガスセルおよび光出射部の温度の関係の一例を図示したグラフである。なお、以下では、説明の便宜上、図１中の上側を「上」、下側を「下」、左側を「左」、右側を「右」と言う。
【００１５】
１．原子発振器の構成
まず、原子発振器１の構成について説明する。
なお、以下では、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一例として説明するが、本発明は、これに限定されるものでななく、二重共鳴効果を利用した原子発振器にも適用可能である。
図１に示すように、原子発振器１は、ガス状の金属原子を封入したガスセル２と、光検出部３と、ガスセル２の温度を変化させる手段を有する第１の温度可変部４１と、励起光を出射する光出射部５と、光出射部５の温度を変化させる手段を有する第２の温度可変部４２と、これらを収納する第１のパッケージ６と、第１のパッケージ６の温度を変化させる手段を有する第３の温度可変部４３と、第１のパッケージ６および第３の温度可変部４３を収納する第２のパッケージ７と、各温調部４１、４２、４３の駆動を制御する制御部８と、環境温度（原子発振器１の周辺温度）を検知する環境温度検知部９とを有している。以下、これら各部について順次詳細に説明する。
【００１６】
（ガスセル）
ガスセル２は、筒状の本体２１と、その本体２１の両端開口部を封鎖する窓部２２、２３とを有しており、その内部に、密閉されたキャビティが形成されている。このキャビティ内には、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原子が封入される。
【００１７】
窓部２２、２３は、金属原子ガスを励起する励起光の光路の入射面および出射面を構成する。そのため、各窓部２２、２３は、例えばガラスなどの光透過性を有する材料で構成されている。一方、本体２１は、光透過性を必要としないので、各種金属材料、各種樹脂材料などにより構成されていてもよく、また、窓部２２、２３と同じガラスなどの光透過性材料により構成されていてもよい。
【００１８】
（光検出部）
光検出部３は、ガスセル２の右側に設けられている。この光検出部３は、ガスセル２を透過した励起光（後述する共鳴光１、２）の強度を検出する機能を有している。光検出部３としては、特に限定されず、例えば、太陽電池やフォトダイオードなどを用いることができる。
【００１９】
（第１の温度可変部）
第１の温度可変部４１は、ガスセル２を加熱する加熱部４１１（ガスセル２の温度を変化させる手段）と、ガスセル２の温度（本体２１の外表面の温度）を検知する温度検知部４１２とを有している。
加熱部４１１は、窓部２２の外側の面に設けられた第１ヒーター４１１ａと、窓部２３の外側の面に設けられた第２ヒーター４１１ｂとを有している。これらヒーター４１１ａ、４１１ｂは、それぞれ、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、ＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）、Ｉｎ３Ｏ３、ＳｎＯ２、Ｓｂ含有ＳｎＯ２、Ａｌ含有ＺｎＯ等の酸化物等の透明電極材料で構成された透明電極膜である。
【００２０】
ヒーター４１１ａ、４１１ｂがそれぞれ透明電極材料で構成されていると、これらヒーター４１１ａ、４１１ｂをガスセル２の外表面の励起光の光路となる部分に設けることができる。そのため、ガスセル２の励起光の入射部および出射部をヒーター４１１ａ、４１１ｂにより効率的に加熱することができる。その結果、ガスセル２の内壁面の励起光の光路となる部分にアルカリ金属原子が析出（結露）するのを防止することができ、原子発振器１の長寿命化を図ることができる。
【００２１】
温度検知部４１２は、例えば、ガスセル２の本体２１の外表面に設けられたサーミスタで構成される。これにより、ガスセル２の温度をより正確に検知することができる。
第１、第２ヒーター４１１ａ、４１２ｂおよび温度検知部４１２は、それぞれ、制御手段（制御回路）８に電気的に接続されている。制御部８は、温度検知部４１２の検知結果に基づいて、第１、第２ヒーター４１１ａ、４１２ｂの駆動（出力）を制御することにより、ガスセル２を所定温度に保つように構成されている。なお、ガスセル２は、第１、第２ヒーター４１１ａ、４１１ｂによって、例えば約６０℃以上、８０℃以下程度に温度制御される。
【００２２】
（光出射部）
光出射部５は、ガスセル２中のアルカリ金属原子を励起する励起光を出射する機能を有している。より具体的には、光出射部５は、レーザー光のような干渉性を有するコヒーレント光として、周波数の異なる２種の光（共鳴光１、２）を出射する。このような光出射部５としては、例えば、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）を用いることができる。
【００２３】
ここで、ガスセル２中のアルカリ金属原子は、図２に示すように、３準位系のエネルギー準位を有しており、エネルギー準位の異なる２つの基底状態（基底状態１、２）と、励起状態との３つの状態をとり得る。ここで、基底状態１は、基底状態２よりも低いエネルギー状態である。
共鳴光１の周波数ω１は、ガスセル２中のアルカリ金属原子を前述した基底状態１から励起状態に励起し得るものであり、共鳴光２の周波数ω２は、ガスセル２中のアルカリ金属原子を前述した基底状態２から励起状態に励起し得るものである。
【００２４】
ガスセル２中のアルカリ金属原子に対して周波数の異なる２種の共鳴光１、２を照射すると、共鳴光１の周波数ω１と共鳴光２の周波数ω２との差（ω１−ω２）に応じて、共鳴光１、２のアルカリ金属原子における光吸収率（光透過率）が変化する。そして、共鳴光１の周波数ω１と共鳴光２の周波数ω２との差（ω１−ω２）が基底状態１と基底状態２とのエネルギー差に一致したとき、基底状態１、２から励起状態への励起がそれぞれ停止する。このとき、共鳴光１、２は、いずれも、アルカリ金属原子に吸収されずに透過する。このような現象をＣＰＴ現象または電磁誘起透明化現象（ＥＩＴ：Electromagnetically Induced Transparency）と呼ぶ。
【００２５】
例えば、共鳴光１の周波数ω１を固定したまま、共鳴光２の周波数ω２を変化させていくと、共鳴光１の周波数ω１と共鳴光２の周波数ω２との差（ω１−ω２）が基底状態１と基底状態２とのエネルギー差に相当する周波数ω０に一致したときに、光検出部３の検出強度は、図３に示すように、急峻に上昇する。このような急峻な信号をＥＩＴ信号として検出する。このＥＩＴ信号は、アルカリ金属の種類によって決まった固有値をもっている。したがって、このようなＥＩＴ信号を用いることにより、周波数安定性の高い発振器を構成することができる。
【００２６】
ここで、光出射部５とガスセル２との間には、図示しない光学部品が設けられていてもよい。光学部品としては、例えば、励起光を平行光とするためのコリメータレンズや、励起光ＬＬのうち不要な光成分を取り除いて必要な光成分のみを通過させる分光を行ったり、光の強度を調整したりする光学素子層が挙げられる。前記光学素子層は、例えば、減光フィルター（ＮＤフィルター）と、λ／４波長板とを積層してなるものを用いることができる。このような光学部品を配置することによって、励起光に所望の光学的処理を施すことができるため、原子発振器１の特性が向上する。
【００２７】
（第２の温度可変部）
第２の温度可変部４２は、光出射部５を加熱・冷却する加熱・冷却部４２１（光出射部５の温度を変化させる手段）と、光出射部５の温度（表面温度）を検知する温度検知部４２２とを有している。
加熱・冷却部４２１は、板状（面状）のペルチェ素子４２１ａで構成されており、このペルチェ素子４２１ａの上面に光出射部５が設けられている。ペルチェ素子４２１ａは、流れる電流の向きを制御することにより、その上面を発熱面または吸熱面として機能させることができる。そのため、ペルチェ素子４２１ａの上面に光出射部５を設けることにより、光出射部５をより精度よく温度制御することができる。このようなペルチェ素子４２１ａで光出射部５を温度制御することによって、所望の特性の励起光を出射することができ、原子発振器１の信頼性が向上する。
【００２８】
温度検知部４２２は、例えば、ペルチェ素子４２１ａの上面に設けられたサーミスタで構成される。これにより、ペルチェ素子４２１ａの上面の温度を正確に検知でき、例えば、この温度を光出射部５の温度とすることにより、光出射部５の温度を簡単に検知することができる。
ペルチェ素子４２１ａおよび温度検知部４２２は、それぞれ、制御部８に電気的に接続されている。制御部８は、温度検知部４２２の検知結果に基づいて、ペルチェ素子４２１ａの駆動（電流の方向や強さ）を制御することにより、光出射部５を所定温度に保つように構成されている。なお、光出射部５は、ペルチェ素子４２１ａによって、例えば約２０℃以上、４０℃以下程度に温度制御される。
【００２９】
（第１のパッケージ）
図１に示すように、第１のパッケージ６は、ガスセル２と、光検出部３と、第１の温度可変部４１と、光出射部５と、第２の温度可変部４２とを収納している。また、第１のパッケージ６は、その内部空間を２つの空間Ｓ１、Ｓ２に仕切る仕切部６１を有している。空間Ｓ１には、ガスセル２、光検出部３および第１の温度可変部４１が位置しており、空間Ｓ２には、光出射部５と第２の温度可変部４２とが収納されている。前述したように、ガスセル２の温度（６０℃〜８０℃）と、光出射部５の温度（２０℃〜４０℃）とが異なっているため、仕切部６１によって、これらを空間的に分離（熱的に分離）することにより、ガスセル２および光出射部５をそれぞれ効率的にかつ安定して所定温度に温調することができる。
【００３０】
なお、仕切部６１は、励起光の光路上に位置するため、例えばガラスなどの光透過性を有する材料で構成されている。
第１のパッケージ６内の空間Ｓ１、Ｓ２のうちの、少なくとも空間Ｓ２、好ましくは両空間Ｓ１、Ｓ２は、減圧状態またはアルゴンガス等の希ガスを充填した状態であるのが好ましい。これにより、原子発振器１の信頼性が向上する。
【００３１】
第１のパッケージ６の構成材料は、特に限定されないが、比較的熱伝導率の高い材料、好ましくは熱伝導率が１４（Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１）以上の材料であるのが好ましい。これにより、第３の温度可変部４３の後述するペルチェ素子４３１ａによって、効率的に第１のパッケージ６を加熱または冷却することができる。このような材料としては、特に限定されず、例えば、鉄、ニッケル、コバルト、金、白金、銀、銅、マンガン、アルミニウム、マグネシウム、亜鉛、鉛、錫、チタン、タングステン等の各種金属、またはこれらのうちの少なくとも１種を含む合金等が挙げられる。
なお、第１のパッケージ６の構成としては、特に限定されず、例えば、内部に空間Ｓ１を有する第１パッケージと、内部に空間Ｓ２を有する第２パッケージとを接合して構成されていてもよい。
【００３２】
（第３の温度可変部）
第３の温度可変部４３は、第１のパッケージ６を加熱・冷却する加熱・冷却部４３１と、第１のパッケージ６の温度（表面温度）を検知する温度検知部４３２とを有している。
加熱・冷却部４３１は、第２の温度可変部４２と同様に、ペルチェ素子４３１ａで構成されている。また、ペルチェ素子４３１ａは、その上面（すなわち、発熱面または吸熱面となる面）が第１のパッケージ６の外表面と接触するように設けられている。これより、ペルチェ素子４３１ａによって、第１のパッケージ６をより精度よく温度制御することができる。
【００３３】
また、第１のパッケージ６のガスセル２が設けられている面を頂面とし、光出射部５が設けられている面を底面としたとき、ペルチェ素子４３１ａは、第１のパッケージ６の側面６ａに接触するように設けられている。これにより、ペルチェ素子４３１ａをガスセル２および光出射部５からなるべく遠ざけることができるため、ペルチェ素子４３１ａの駆動によってガスセル２および光出射部５の温度が不本意に変動するのを抑制することができる。
【００３４】
温度検知部４３２は、例えば、第１のパッケージ６の外表面に設けられたサーミスタで構成される。これにより、第１のパッケージ６の温度を正確に検知できる。
ペルチェ素子４３１ａおよび温度検知部４３２は、それぞれ、制御部８に電気的に接続されている。制御部８は、温度検知部４３２の検知結果に基づいて、ペルチェ素子４３１ａの駆動（電流の方向や強さ）を制御することにより、第１のパッケージ６を所定温度範囲内に保つように構成されている。
【００３５】
（第２のパッケージ）
第２のパッケージ７は、第１のパッケージ６と、第３の温度可変部４３とを収納している。これにより、第３の温度可変部４３によって、第１のパッケージ６とともに、第２のパッケージ７の内部空間（すなわち第１のパッケージ６の周囲）を温度制御することができるため、より効率的に、第３の温度可変部４３によって第１のパッケージ６を温度制御することができる。
【００３６】
このような第２のパッケージ７は、その内面がペルチェ素子４３１ａの下面と接触するように設けられている。これにより、ペルチェ素子４３１ａの下面から発生する熱を原子発振器１の外部へ効率的に放出することができる。このような観点から、第２のパッケージ７は、比較的熱伝導率の高い材料、好ましくは熱伝導率が１４（Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１）以上の材料で構成されているのが好ましい。これにより、上記効果がより顕著となる。このような材料としては、例えば、鉄、ニッケル、コバルト、金、白金、銀、銅、マンガン、アルミニウム、マグネシウム、亜鉛、鉛、錫、チタン、タングステン等の各種金属、またはこれらのうちの少なくとも１種を含む合金等が挙げられる。
【００３７】
また、第２のパッケージ７は、透磁率の高い材料、好ましくは透磁率が１００（Ｎ／Ａ２）以上の材料で構成されているのが好ましい。これにより、第２のパッケージ７に磁気遮蔽効果を付与することができ、特に、ガスセル２に不本意な磁界が作用してしまうことを防止することができる。これにより、種々の回路素子が集積された基板上にガスセル２が配置されても、所望の特性を安定して発揮することのできる原子発振器１となる。このような材料としては、特に限定されないが、前述した熱伝導のパラメータを考慮すると、例えば、鉄、コバルト、ニッケル、またはこれらのうちの少なくとも１種を含む合金等が挙げられる。
【００３８】
（環境温度検知部９）
環境温度検知部９は、原子発振器１の外部に露出するように第２のパッケージ７に設けられている。これにより、環境温度検知部９によって、正確に、環境温度を検知することができる。環境温度検知９としては、特に限定されず、例えば、サーミスタや、サーモパイル等を用いることができる。
環境温度検知部９は、制御部８に接続されており、環境温度検知部９の検知結果は、制御部８に送信される。
以上、原子発振器１の構成について説明した。
【００３９】
２．原子発振器の制御方法
次いで、原子発振器１の制御方法について図４に基づいて説明する。図４は、環境温度、第２のパッケージ７の温度、第１のパッケージ６の温度、ガスセル２および光出射部５の温度の関係の一例を図示したグラフである。
前述したように、原子発振器１では、第１の温度可変部４１によってガスセル２を温度制御し、第２の温度可変部４２によって光出射部５を温度制御し、第３の温度可変部４３によって第１のパッケージ６を温度制御するように構成されている。ここで、第１の温度可変部４１、第２の温度可変部４２の能力には限界があり、原子発振器１の小型化を図る観点からもその能力は充分に高いものでもない。そのため、例えば、原子発振器１が置かれる環境温度（原子発振器１の周辺温度）が低すぎると、第１の温度可変部４１を最大出力で駆動させてもガスセル２を所定温度まで加熱することができない場合がある。第２の温度可変部４２についても同様である。
【００４０】
そこで、原子発振器１では、環境温度に関わらずに、ガスセル２および光出射部５を所定温度とすることができるように構成されている。以下、具体的に説明するが、第１の温度可変部４１がガスセル２を６０℃〜８０℃の範囲の任意の所定温度Ｔａ（例えば６５℃±０．５℃）に温度制御することができるとともに、第２の温度可変部４２が光出射部５を２０℃〜４０℃の範囲の任意の所定温度Ｔｂ（例えば２５℃±０．５℃）に温度制御することができる環境温度の下限値をＴＬとし、上限値をＴＨとする。言い換えれば、環境温度がＴＬ以上、且つＴＨ以下の場合には、第１、第２の温度可変部４１、４２によって、ガスセル２および光出射部５を所定温度とすることができることとする。なお、本実施形態では、第１の温度可変部４１が冷却機能を有していないため、温度Ｔａと温度ＴＨとは、ほぼ同じ温度に設定される。
原子発振器１では、環境温度がＴＬ以上、且つＴＨ以下の場合（第１の場合）と、それ以外の場合（第２の場合）とで制御方法が異なるため、以下では、これらの場合について順次説明する。
【００４１】
（第１の場合）
第１の場合の環境温度、第２のパッケージ７の温度、第１のパッケージ６の温度、ガスセル２および光出射部５の温度の関係は、図４中の二点鎖線Ｃで示されるものとなる。
環境温度検知部９によって検知された環境温度がＴＬ以上、且つＴＨ以下の場合には、前述したように、第１、第２ヒーター４１１ａ、４１１ｂおよびペルチェ素子４２１ａによって、ガスセル２および光出射部５を所定温度とすることができる。そのため、制御部８は、第３の温度可変部４３の駆動を停止し、第１、第２ヒーター４１１ａ、４１１ｂおよびペルチェ素子４２１ａを駆動させ、ガスセル２、光出射部５を所定温度Ｔａ、Ｔｂに温度制御する。このような温度制御は、温度検知部４１２、４２２の検知結果を制御部８にフィードバックしながら行うことができる。
なお、環境温度がＴＨとほぼ等しい場合には、第１、第２ヒーター４１１ａ、４１１ｂを駆動しなくても、ガスセル２を所定温度Ｔａとすることができるため、このような場合には、制御部８は、第１の温度可変部４１の駆動を停止させてもよい。
【００４２】
（第２の場合）
第２の場合の環境温度、第２のパッケージ７の温度、第１のパッケージ６の温度、ガスセル２および光出射部５の温度の関係は、図４中の実線Ａ、一点鎖線Ｂで示されるものとなる。
環境温度検知部９によって検知された環境温度がＴＬより低いか、ＴＨより高い場合には、第１、第２ヒーター４１１ａ、４１１ｂおよびペルチェ素子４２１ａの駆動だけではガスセル２および光出射部５を所定温度Ｔａ、Ｔｂとすることができない。
【００４３】
そこで、第２の場合には、制御部８は、第１、第２ヒーター４１１ａ、４１１ｂおよびペルチェ素子４２１ａとともに、ペルチェ素子４３１ａも駆動させる。このとき、制御部８は、例えば、まず、第１のパッケージ６の温度（温度検知部４３２の検知温度）がＴＬ以上、且つＴＨ以下となるように第３の温度可変部４３の駆動を制御し、第１、第２ヒーター４１１ａ、４１１ｂおよびペルチェ素子４２１ａによって、ガスセル２および光出射部５を所定温度Ｔａ、Ｔｂとすることができる状態とする。このような温度制御は、温度検知部４３２の検知結果を制御部８にフィードバックしながら行うことができる。
【００４４】
ここで、より好ましくは、制御部８は、第１のパッケージ６の温度がＴｂ以上、且つＴａ以下となるように第３の温度可変部４３の駆動を制御する。さらに具体的に説明すれば、制御部８は、環境温度がＴＬよりも低い場合は、第１のパッケージ６の温度がＴｂ付近となるように第３の温度可変部４３の駆動を制御し、環境温度がＴＨよりも高い場合は、第１のパッケージ６の温度がＴａ付近となるように第３の温度可変部４３の駆動を制御するこが好ましい。第１のパッケージ６の温度をこの範囲とすることにより、第１、第２ヒーター４１１ａ、４１１ｂおよびペルチェ素子４２１ａの負担（仕事量）が減り、第１、第２ヒーター４１１ａ、４１１ｂおよびペルチェ素子４２１ａの小型化を図ることができるとともに、省電力駆動が可能となる。また、第１、第２ヒーター４１１ａ、４１１ｂ、ペルチェ素子４２１ａ、４３１ａの駆動バランス（仕事量のバランス）に優れる、すなわち、例えばペルチェ素子４２１ａ、４３１ａで仕事量に大きな差が生じないため、第１、第２ヒーター４１１ａ、４１１ｂ、ペルチェ素子４２１ａ、４３１ａを一律に小型化することもでき、この点でも、省電力駆動が可能となる。
【００４５】
次いで、制御部８は、第１、第２ヒーター４１１ａ、４１１ｂおよびペルチェ素子４２１ａの駆動を制御して、ガスセル２および光出射部５を所定温度Ｔａ、Ｔｂとする。このように、第３の温度可変部４３によって第１のパッケージ６の温度を制御してから、第１、第２ヒーター４１１ａ、４１１ｂおよびペルチェ素子４２１ａの駆動を開始することにより、第１、第２ヒーター４１１ａ、４１１ｂおよびペルチェ素子４２１ａの無駄な駆動が無くなり省電力駆動が可能となる。
【００４６】
以上、原子発振器１の制御方法について説明した。この原子発振器１によれば、環境温度によらずにガスセル２および光出射部５を所定温度に制御することができるため、安定して所望の特性を発揮することができる。また、第１の場合には、ペルチェ素子４３１ａを駆動させないため、省電力化を図ることもできる。また、第１、第２ヒーター４１１ａ、４１１ｂおよびペルチェ素子４２１ａの仕事量の増加を防げるため、装置の小型化を図ることもできる。
以上、本発明の原子発振器を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く、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、他の任意の構成物や、工程が付加されていてもよい。
【００４７】
また、前述した実施形態では、第１のパッケージが仕切部によって２つの空間に仕切られているが、これに限定されず、仕切部を省略してもよい。
また、前述した実施形態では、第２のパッケージを有していたが、これに限定されず、第２のパッケージを省略してもよい。この場合には、環境温度検知部は、第１のパッケージに設ければよく、また、第３の温度可変部の温度検知部が環境温度検知部を兼ねていてもよい。
【符号の説明】
【００４８】
１‥‥原子発振器 ２‥‥ガスセル ２１‥‥本体 ２２、２３‥‥窓部 ３‥‥光検出部 ４１‥‥第１の温度可変部 ４１１‥‥加熱部 ４１１ａ‥‥第１ヒーター ４１１ｂ‥‥第２ヒーター ４１２‥‥温度検知部 ４２‥‥第２の温度可変部 ４２１‥‥加熱・冷却部 ４２１ａ‥‥ペルチェ素子 ４２２‥‥温度検知部 ４３‥‥第３の温度可変部 ４３１‥‥加熱・冷却部 ４３１ａ‥‥ペルチェ素子 ４３２‥‥温度検知部 ５‥‥光出射部 ６‥‥第１のパッケージ ６ａ‥‥側面 ６１‥‥仕切部 ７‥‥第２のパッケージ ８‥‥制御部 ９‥‥環境温度検知部 Ｓ１、Ｓ２‥‥空間
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子発振器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ルビジウム、セシウム等のアルカリ金属の原子のエネルギー遷移に基づいて周波数安定度の高い発振信号を得る原子発振器が知られている（例えば、特許文献１）。
特許文献１に記載の原子発振器は、励起光を出射する光源と、励起光に光学的処理を施す光学レンズおよび偏光板を備える光学系と、ガス状のアルカリ金属原子が封入されたガスセルと、ガスセルを通過した励振光を検出する光検出部とを有している。また、この原子発振器は、所望の特性を安定して発揮するために、ガスセルを所定温度に保つ第１温調手段（例えば、ヒーター）と、光源を所定温度に保つ第２温調手段（例えば、ペルチェ素子）とを有している。
【０００３】
ところで、今後、原子発振器の利用分野が拡大し、幅広い温度域（現状では、−５０℃〜＋８０℃）で使用されることが想定される。しかしながら、第１温調手段や第２温調手段は、その温度制御能力に限りがあり、環境温度によっては、ガスセルや光源を所定温度に保つことが困難な場合もある。例えば、環境温度が−５０℃と極めて低い場合には、ガスセルおよび光源を充分に加熱することができずに、ガスセルおよび光源を所定温度に保持することができない場合がある。
このように、特許文献１の原子発振器では、環境温度に影響されて所望の特性を発揮することができないという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許６３２０４７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、環境温度に関わらず、ガスセルおよび光出射部を所定温度範囲に保つことができ、安定して所望の特性を発揮することのできる原子発振器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
［適用例１］
本発明の原子発振器は、ガスセルと、
前記ガスセルの温度を変化させる手段を有する第１の温度可変部と、
前記ガスセル中の気体の原子を励起する励起光を出射する光出射部と、
前記光出射部の温度を変化させる手段を有する第２の温度可変部と、
前記ガスセルと前記第１の温度可変部と前記光出射部と前記第２の温度可変部を収納する第１のパッケージと、
前記第１のパッケージの温度を変化させる手段を有する第３の温度可変部と、
前記第１の温度可変部、前記第２の温度可変部および前記第３の温度可変部の駆動を制御し、前記ガスセルの温度と前記光出射部の温度と前記第１のパッケージの温度を制御する制御部と、を有し、
前記制御部は、環境温度が所定温度ＴＬより低いか、或いは前記ＴＬよりも高温の所定温度ＴＨより高い場合に、前記第３の温度可変部を駆動することを特徴とする。
これにより、環境温度に関わらず、ガスセルおよび光出射部を所定温度範囲に保つことができ、安定して所望の特性を発揮することのできる原子発振器を提供することができる。
【０００７】
［適用例２］
本発明の原子発振器では、前記制御部は、前記環境温度が前記ＴＬ以上、且つ前記ＴＨ以下の場合に、前記第３の温度可変部の駆動を停止させ、前記第１の温度可変部および前記第２の温度可変部を駆動し、前記ガスセルおよび前記光出射部をそれぞれ所定温度に制御することが好ましい。
これにより、省電力駆動が可能となる。
【０００８】
［適用例３］
本発明の原子発振器では、前記ガスセルの前記所定温度をＴａとし、前記光出射部の前記所定温度をＴｂとしたとき、前記制御部は、前記第１のパッケージの温度をＴａとＴｂの間の温度に制御することが好ましい。
これにより、より効率的かつ確実に、第１の温度可変部によってガスセルを所定温度とするとともに、第２の温度可変部によって光出射部を所定温度とすることができる。また、第１の温度可変部、第２の温度可変部および第３の温度可変部をバランスよく駆動させること、すなわち第１の温度可変部、第２の温度可変部、第３の温度可変部のうちのいずれかの温調部が他の温調部に対して過度に駆動することを防止できるため、省電力駆動が可能となる。また、これにより、各温調部の仕事量を抑えることができ、各温調部の小型化、すなわち原子発振器の小型化を図ることができる。
【０００９】
［適用例４］
本発明の原子発振器では、前記第３の温度可変部は、ペルチェ素子を有し、
前記ペルチェ素子は、一方の面が前記第１のパッケージの外側の面に接触して設けられていることが好ましい。
これにより、第１のパッケージをより精度よく温調することができる。
【００１０】
［適用例５］
本発明の原子発振器では、前記第１のパッケージおよび前記第３の温度可変部を収納する第２のパッケージを有することが好ましい。
これにより、第３の温度可変部によって、第１のパッケージとともに、第２のパッケージの内部空間（すなわち第１のパッケージの周囲）を温調することができるため、より効率的に、第３の温度可変部によって第１のパッケージを温調することができる。
【００１１】
［適用例６］
本発明の原子発振器では、前記第２のパッケージは、前記ペルチェ素子の他方の面と接触して設けられていることが好ましい。
これにより、吸発熱体から発生する熱を原子発振器の外部へ効率的に放出することができる。
［適用例７］
本発明の原子発振器では、前記第２のパッケージは、熱伝導率が１４（Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１）以上の材料で構成されていることが好ましい。
これにより、より効率的に、吸発熱体から発生する熱を原子発振器の外部へ効率的に放出することができる。
【００１２】
［適用例８］
本発明の原子発振器では、前記第１のパッケージは、前記ガスセルおよび前記第１の温度可変部が位置する空間と、前記光出射部および前記第２の温度可変部が位置する空間とを仕切る仕切部を有しており、該仕切部は、光透過性を有していることが好ましい。
ガスセルおよび光出射部をそれぞれ効率的にかつ安定して所定温度に温調することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の好適な実施形態に係る原子発振器の概略構成を示す断面図である。
【図２】図１に示す原子発振器に備えられたガスセル内のアルカリ金属のエネルギー状態を説明するための図である。
【図３】図１に示す原子発振器に備えられた光出射部および光検出部について、光出射部からの２つの光の周波数差と、光検出部の検出強度との関係を示すグラフである。
【図４】環境温度、第２のパッケージの温度、第１のパッケージの温度、ガスセルおよび光出射部の温度の関係の一例を図示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の原子発振器を添付図面に示す好適実施形態に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の好適な実施形態に係る原子発振器の概略構成を示す断面図、図２は、図１に示す原子発振器に備えられたガスセル内のアルカリ金属のエネルギー状態を説明するための図、図３は、図１に示す原子発振器に備えられた光出射部および光検出部について、光出射部からの２つの光の周波数差と、光検出部の検出強度との関係を示すグラフ、図４は、環境温度、第２のパッケージの温度、第１のパッケージの温度、ガスセルおよび光出射部の温度の関係の一例を図示したグラフである。なお、以下では、説明の便宜上、図１中の上側を「上」、下側を「下」、左側を「左」、右側を「右」と言う。
【００１５】
１．原子発振器の構成
まず、原子発振器１の構成について説明する。
なお、以下では、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一例として説明するが、本発明は、これに限定されるものでななく、二重共鳴効果を利用した原子発振器にも適用可能である。
図１に示すように、原子発振器１は、ガス状の金属原子を封入したガスセル２と、光検出部３と、ガスセル２の温度を変化させる手段を有する第１の温度可変部４１と、励起光を出射する光出射部５と、光出射部５の温度を変化させる手段を有する第２の温度可変部４２と、これらを収納する第１のパッケージ６と、第１のパッケージ６の温度を変化させる手段を有する第３の温度可変部４３と、第１のパッケージ６および第３の温度可変部４３を収納する第２のパッケージ７と、各温調部４１、４２、４３の駆動を制御する制御部８と、環境温度（原子発振器１の周辺温度）を検知する環境温度検知部９とを有している。以下、これら各部について順次詳細に説明する。
【００１６】
（ガスセル）
ガスセル２は、筒状の本体２１と、その本体２１の両端開口部を封鎖する窓部２２、２３とを有しており、その内部に、密閉されたキャビティが形成されている。このキャビティ内には、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原子が封入される。
【００１７】
窓部２２、２３は、金属原子ガスを励起する励起光の光路の入射面および出射面を構成する。そのため、各窓部２２、２３は、例えばガラスなどの光透過性を有する材料で構成されている。一方、本体２１は、光透過性を必要としないので、各種金属材料、各種樹脂材料などにより構成されていてもよく、また、窓部２２、２３と同じガラスなどの光透過性材料により構成されていてもよい。
【００１８】
（光検出部）
光検出部３は、ガスセル２の右側に設けられている。この光検出部３は、ガスセル２を透過した励起光（後述する共鳴光１、２）の強度を検出する機能を有している。光検出部３としては、特に限定されず、例えば、太陽電池やフォトダイオードなどを用いることができる。
【００１９】
（第１の温度可変部）
第１の温度可変部４１は、ガスセル２を加熱する加熱部４１１（ガスセル２の温度を変化させる手段）と、ガスセル２の温度（本体２１の外表面の温度）を検知する温度検知部４１２とを有している。
加熱部４１１は、窓部２２の外側の面に設けられた第１ヒーター４１１ａと、窓部２３の外側の面に設けられた第２ヒーター４１１ｂとを有している。これらヒーター４１１ａ、４１１ｂは、それぞれ、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、ＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）、Ｉｎ３Ｏ３、ＳｎＯ２、Ｓｂ含有ＳｎＯ２、Ａｌ含有ＺｎＯ等の酸化物等の透明電極材料で構成された透明電極膜である。
【００２０】
ヒーター４１１ａ、４１１ｂがそれぞれ透明電極材料で構成されていると、これらヒーター４１１ａ、４１１ｂをガスセル２の外表面の励起光の光路となる部分に設けることができる。そのため、ガスセル２の励起光の入射部および出射部をヒーター４１１ａ、４１１ｂにより効率的に加熱することができる。その結果、ガスセル２の内壁面の励起光の光路となる部分にアルカリ金属原子が析出（結露）するのを防止することができ、原子発振器１の長寿命化を図ることができる。
【００２１】
温度検知部４１２は、例えば、ガスセル２の本体２１の外表面に設けられたサーミスタで構成される。これにより、ガスセル２の温度をより正確に検知することができる。
第１、第２ヒーター４１１ａ、４１２ｂおよび温度検知部４１２は、それぞれ、制御手段（制御回路）８に電気的に接続されている。制御部８は、温度検知部４１２の検知結果に基づいて、第１、第２ヒーター４１１ａ、４１２ｂの駆動（出力）を制御することにより、ガスセル２を所定温度に保つように構成されている。なお、ガスセル２は、第１、第２ヒーター４１１ａ、４１１ｂによって、例えば約６０℃以上、８０℃以下程度に温度制御される。
【００２２】
（光出射部）
光出射部５は、ガスセル２中のアルカリ金属原子を励起する励起光を出射する機能を有している。より具体的には、光出射部５は、レーザー光のような干渉性を有するコヒーレント光として、周波数の異なる２種の光（共鳴光１、２）を出射する。このような光出射部５としては、例えば、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）を用いることができる。
【００２３】
ここで、ガスセル２中のアルカリ金属原子は、図２に示すように、３準位系のエネルギー準位を有しており、エネルギー準位の異なる２つの基底状態（基底状態１、２）と、励起状態との３つの状態をとり得る。ここで、基底状態１は、基底状態２よりも低いエネルギー状態である。
共鳴光１の周波数ω１は、ガスセル２中のアルカリ金属原子を前述した基底状態１から励起状態に励起し得るものであり、共鳴光２の周波数ω２は、ガスセル２中のアルカリ金属原子を前述した基底状態２から励起状態に励起し得るものである。
【００２４】
ガスセル２中のアルカリ金属原子に対して周波数の異なる２種の共鳴光１、２を照射すると、共鳴光１の周波数ω１と共鳴光２の周波数ω２との差（ω１−ω２）に応じて、共鳴光１、２のアルカリ金属原子における光吸収率（光透過率）が変化する。そして、共鳴光１の周波数ω１と共鳴光２の周波数ω２との差（ω１−ω２）が基底状態１と基底状態２とのエネルギー差に一致したとき、基底状態１、２から励起状態への励起がそれぞれ停止する。このとき、共鳴光１、２は、いずれも、アルカリ金属原子に吸収されずに透過する。このような現象をＣＰＴ現象または電磁誘起透明化現象（ＥＩＴ：Electromagnetically Induced Transparency）と呼ぶ。
【００２５】
例えば、共鳴光１の周波数ω１を固定したまま、共鳴光２の周波数ω２を変化させていくと、共鳴光１の周波数ω１と共鳴光２の周波数ω２との差（ω１−ω２）が基底状態１と基底状態２とのエネルギー差に相当する周波数ω０に一致したときに、光検出部３の検出強度は、図３に示すように、急峻に上昇する。このような急峻な信号をＥＩＴ信号として検出する。このＥＩＴ信号は、アルカリ金属の種類によって決まった固有値をもっている。したがって、このようなＥＩＴ信号を用いることにより、周波数安定性の高い発振器を構成することができる。
【００２６】
ここで、光出射部５とガスセル２との間には、図示しない光学部品が設けられていてもよい。光学部品としては、例えば、励起光を平行光とするためのコリメータレンズや、励起光ＬＬのうち不要な光成分を取り除いて必要な光成分のみを通過させる分光を行ったり、光の強度を調整したりする光学素子層が挙げられる。前記光学素子層は、例えば、減光フィルター（ＮＤフィルター）と、λ／４波長板とを積層してなるものを用いることができる。このような光学部品を配置することによって、励起光に所望の光学的処理を施すことができるため、原子発振器１の特性が向上する。
【００２７】
（第２の温度可変部）
第２の温度可変部４２は、光出射部５を加熱・冷却する加熱・冷却部４２１（光出射部５の温度を変化させる手段）と、光出射部５の温度（表面温度）を検知する温度検知部４２２とを有している。
加熱・冷却部４２１は、板状（面状）のペルチェ素子４２１ａで構成されており、このペルチェ素子４２１ａの上面に光出射部５が設けられている。ペルチェ素子４２１ａは、流れる電流の向きを制御することにより、その上面を発熱面または吸熱面として機能させることができる。そのため、ペルチェ素子４２１ａの上面に光出射部５を設けることにより、光出射部５をより精度よく温度制御することができる。このようなペルチェ素子４２１ａで光出射部５を温度制御することによって、所望の特性の励起光を出射することができ、原子発振器１の信頼性が向上する。
【００２８】
温度検知部４２２は、例えば、ペルチェ素子４２１ａの上面に設けられたサーミスタで構成される。これにより、ペルチェ素子４２１ａの上面の温度を正確に検知でき、例えば、この温度を光出射部５の温度とすることにより、光出射部５の温度を簡単に検知することができる。
ペルチェ素子４２１ａおよび温度検知部４２２は、それぞれ、制御部８に電気的に接続されている。制御部８は、温度検知部４２２の検知結果に基づいて、ペルチェ素子４２１ａの駆動（電流の方向や強さ）を制御することにより、光出射部５を所定温度に保つように構成されている。なお、光出射部５は、ペルチェ素子４２１ａによって、例えば約２０℃以上、４０℃以下程度に温度制御される。
【００２９】
（第１のパッケージ）
図１に示すように、第１のパッケージ６は、ガスセル２と、光検出部３と、第１の温度可変部４１と、光出射部５と、第２の温度可変部４２とを収納している。また、第１のパッケージ６は、その内部空間を２つの空間Ｓ１、Ｓ２に仕切る仕切部６１を有している。空間Ｓ１には、ガスセル２、光検出部３および第１の温度可変部４１が位置しており、空間Ｓ２には、光出射部５と第２の温度可変部４２とが収納されている。前述したように、ガスセル２の温度（６０℃〜８０℃）と、光出射部５の温度（２０℃〜４０℃）とが異なっているため、仕切部６１によって、これらを空間的に分離（熱的に分離）することにより、ガスセル２および光出射部５をそれぞれ効率的にかつ安定して所定温度に温調することができる。
【００３０】
なお、仕切部６１は、励起光の光路上に位置するため、例えばガラスなどの光透過性を有する材料で構成されている。
第１のパッケージ６内の空間Ｓ１、Ｓ２のうちの、少なくとも空間Ｓ２、好ましくは両空間Ｓ１、Ｓ２は、減圧状態またはアルゴンガス等の希ガスを充填した状態であるのが好ましい。これにより、原子発振器１の信頼性が向上する。
【００３１】
第１のパッケージ６の構成材料は、特に限定されないが、比較的熱伝導率の高い材料、好ましくは熱伝導率が１４（Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１）以上の材料であるのが好ましい。これにより、第３の温度可変部４３の後述するペルチェ素子４３１ａによって、効率的に第１のパッケージ６を加熱または冷却することができる。このような材料としては、特に限定されず、例えば、鉄、ニッケル、コバルト、金、白金、銀、銅、マンガン、アルミニウム、マグネシウム、亜鉛、鉛、錫、チタン、タングステン等の各種金属、またはこれらのうちの少なくとも１種を含む合金等が挙げられる。
なお、第１のパッケージ６の構成としては、特に限定されず、例えば、内部に空間Ｓ１を有する第１パッケージと、内部に空間Ｓ２を有する第２パッケージとを接合して構成されていてもよい。
【００３２】
（第３の温度可変部）
第３の温度可変部４３は、第１のパッケージ６を加熱・冷却する加熱・冷却部４３１と、第１のパッケージ６の温度（表面温度）を検知する温度検知部４３２とを有している。
加熱・冷却部４３１は、第２の温度可変部４２と同様に、ペルチェ素子４３１ａで構成されている。また、ペルチェ素子４３１ａは、その上面（すなわち、発熱面または吸熱面となる面）が第１のパッケージ６の外表面と接触するように設けられている。これより、ペルチェ素子４３１ａによって、第１のパッケージ６をより精度よく温度制御することができる。
【００３３】
また、第１のパッケージ６のガスセル２が設けられている面を頂面とし、光出射部５が設けられている面を底面としたとき、ペルチェ素子４３１ａは、第１のパッケージ６の側面６ａに接触するように設けられている。これにより、ペルチェ素子４３１ａをガスセル２および光出射部５からなるべく遠ざけることができるため、ペルチェ素子４３１ａの駆動によってガスセル２および光出射部５の温度が不本意に変動するのを抑制することができる。
【００３４】
温度検知部４３２は、例えば、第１のパッケージ６の外表面に設けられたサーミスタで構成される。これにより、第１のパッケージ６の温度を正確に検知できる。
ペルチェ素子４３１ａおよび温度検知部４３２は、それぞれ、制御部８に電気的に接続されている。制御部８は、温度検知部４３２の検知結果に基づいて、ペルチェ素子４３１ａの駆動（電流の方向や強さ）を制御することにより、第１のパッケージ６を所定温度範囲内に保つように構成されている。
【００３５】
（第２のパッケージ）
第２のパッケージ７は、第１のパッケージ６と、第３の温度可変部４３とを収納している。これにより、第３の温度可変部４３によって、第１のパッケージ６とともに、第２のパッケージ７の内部空間（すなわち第１のパッケージ６の周囲）を温度制御することができるため、より効率的に、第３の温度可変部４３によって第１のパッケージ６を温度制御することができる。
【００３６】
このような第２のパッケージ７は、その内面がペルチェ素子４３１ａの下面と接触するように設けられている。これにより、ペルチェ素子４３１ａの下面から発生する熱を原子発振器１の外部へ効率的に放出することができる。このような観点から、第２のパッケージ７は、比較的熱伝導率の高い材料、好ましくは熱伝導率が１４（Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１）以上の材料で構成されているのが好ましい。これにより、上記効果がより顕著となる。このような材料としては、例えば、鉄、ニッケル、コバルト、金、白金、銀、銅、マンガン、アルミニウム、マグネシウム、亜鉛、鉛、錫、チタン、タングステン等の各種金属、またはこれらのうちの少なくとも１種を含む合金等が挙げられる。
【００３７】
また、第２のパッケージ７は、透磁率の高い材料、好ましくは透磁率が１００（Ｎ／Ａ２）以上の材料で構成されているのが好ましい。これにより、第２のパッケージ７に磁気遮蔽効果を付与することができ、特に、ガスセル２に不本意な磁界が作用してしまうことを防止することができる。これにより、種々の回路素子が集積された基板上にガスセル２が配置されても、所望の特性を安定して発揮することのできる原子発振器１となる。このような材料としては、特に限定されないが、前述した熱伝導のパラメータを考慮すると、例えば、鉄、コバルト、ニッケル、またはこれらのうちの少なくとも１種を含む合金等が挙げられる。
【００３８】
（環境温度検知部９）
環境温度検知部９は、原子発振器１の外部に露出するように第２のパッケージ７に設けられている。これにより、環境温度検知部９によって、正確に、環境温度を検知することができる。環境温度検知９としては、特に限定されず、例えば、サーミスタや、サーモパイル等を用いることができる。
環境温度検知部９は、制御部８に接続されており、環境温度検知部９の検知結果は、制御部８に送信される。
以上、原子発振器１の構成について説明した。
【００３９】
２．原子発振器の制御方法
次いで、原子発振器１の制御方法について図４に基づいて説明する。図４は、環境温度、第２のパッケージ７の温度、第１のパッケージ６の温度、ガスセル２および光出射部５の温度の関係の一例を図示したグラフである。
前述したように、原子発振器１では、第１の温度可変部４１によってガスセル２を温度制御し、第２の温度可変部４２によって光出射部５を温度制御し、第３の温度可変部４３によって第１のパッケージ６を温度制御するように構成されている。ここで、第１の温度可変部４１、第２の温度可変部４２の能力には限界があり、原子発振器１の小型化を図る観点からもその能力は充分に高いものでもない。そのため、例えば、原子発振器１が置かれる環境温度（原子発振器１の周辺温度）が低すぎると、第１の温度可変部４１を最大出力で駆動させてもガスセル２を所定温度まで加熱することができない場合がある。第２の温度可変部４２についても同様である。
【００４０】
そこで、原子発振器１では、環境温度に関わらずに、ガスセル２および光出射部５を所定温度とすることができるように構成されている。以下、具体的に説明するが、第１の温度可変部４１がガスセル２を６０℃〜８０℃の範囲の任意の所定温度Ｔａ（例えば６５℃±０．５℃）に温度制御することができるとともに、第２の温度可変部４２が光出射部５を２０℃〜４０℃の範囲の任意の所定温度Ｔｂ（例えば２５℃±０．５℃）に温度制御することができる環境温度の下限値をＴＬとし、上限値をＴＨとする。言い換えれば、環境温度がＴＬ以上、且つＴＨ以下の場合には、第１、第２の温度可変部４１、４２によって、ガスセル２および光出射部５を所定温度とすることができることとする。なお、本実施形態では、第１の温度可変部４１が冷却機能を有していないため、温度Ｔａと温度ＴＨとは、ほぼ同じ温度に設定される。
原子発振器１では、環境温度がＴＬ以上、且つＴＨ以下の場合（第１の場合）と、それ以外の場合（第２の場合）とで制御方法が異なるため、以下では、これらの場合について順次説明する。
【００４１】
（第１の場合）
第１の場合の環境温度、第２のパッケージ７の温度、第１のパッケージ６の温度、ガスセル２および光出射部５の温度の関係は、図４中の二点鎖線Ｃで示されるものとなる。
環境温度検知部９によって検知された環境温度がＴＬ以上、且つＴＨ以下の場合には、前述したように、第１、第２ヒーター４１１ａ、４１１ｂおよびペルチェ素子４２１ａによって、ガスセル２および光出射部５を所定温度とすることができる。そのため、制御部８は、第３の温度可変部４３の駆動を停止し、第１、第２ヒーター４１１ａ、４１１ｂおよびペルチェ素子４２１ａを駆動させ、ガスセル２、光出射部５を所定温度Ｔａ、Ｔｂに温度制御する。このような温度制御は、温度検知部４１２、４２２の検知結果を制御部８にフィードバックしながら行うことができる。
なお、環境温度がＴＨとほぼ等しい場合には、第１、第２ヒーター４１１ａ、４１１ｂを駆動しなくても、ガスセル２を所定温度Ｔａとすることができるため、このような場合には、制御部８は、第１の温度可変部４１の駆動を停止させてもよい。
【００４２】
（第２の場合）
第２の場合の環境温度、第２のパッケージ７の温度、第１のパッケージ６の温度、ガスセル２および光出射部５の温度の関係は、図４中の実線Ａ、一点鎖線Ｂで示されるものとなる。
環境温度検知部９によって検知された環境温度がＴＬより低いか、ＴＨより高い場合には、第１、第２ヒーター４１１ａ、４１１ｂおよびペルチェ素子４２１ａの駆動だけではガスセル２および光出射部５を所定温度Ｔａ、Ｔｂとすることができない。
【００４３】
そこで、第２の場合には、制御部８は、第１、第２ヒーター４１１ａ、４１１ｂおよびペルチェ素子４２１ａとともに、ペルチェ素子４３１ａも駆動させる。このとき、制御部８は、例えば、まず、第１のパッケージ６の温度（温度検知部４３２の検知温度）がＴＬ以上、且つＴＨ以下となるように第３の温度可変部４３の駆動を制御し、第１、第２ヒーター４１１ａ、４１１ｂおよびペルチェ素子４２１ａによって、ガスセル２および光出射部５を所定温度Ｔａ、Ｔｂとすることができる状態とする。このような温度制御は、温度検知部４３２の検知結果を制御部８にフィードバックしながら行うことができる。
【００４４】
ここで、より好ましくは、制御部８は、第１のパッケージ６の温度がＴｂ以上、且つＴａ以下となるように第３の温度可変部４３の駆動を制御する。さらに具体的に説明すれば、制御部８は、環境温度がＴＬよりも低い場合は、第１のパッケージ６の温度がＴｂ付近となるように第３の温度可変部４３の駆動を制御し、環境温度がＴＨよりも高い場合は、第１のパッケージ６の温度がＴａ付近となるように第３の温度可変部４３の駆動を制御するこが好ましい。第１のパッケージ６の温度をこの範囲とすることにより、第１、第２ヒーター４１１ａ、４１１ｂおよびペルチェ素子４２１ａの負担（仕事量）が減り、第１、第２ヒーター４１１ａ、４１１ｂおよびペルチェ素子４２１ａの小型化を図ることができるとともに、省電力駆動が可能となる。また、第１、第２ヒーター４１１ａ、４１１ｂ、ペルチェ素子４２１ａ、４３１ａの駆動バランス（仕事量のバランス）に優れる、すなわち、例えばペルチェ素子４２１ａ、４３１ａで仕事量に大きな差が生じないため、第１、第２ヒーター４１１ａ、４１１ｂ、ペルチェ素子４２１ａ、４３１ａを一律に小型化することもでき、この点でも、省電力駆動が可能となる。
【００４５】
次いで、制御部８は、第１、第２ヒーター４１１ａ、４１１ｂおよびペルチェ素子４２１ａの駆動を制御して、ガスセル２および光出射部５を所定温度Ｔａ、Ｔｂとする。このように、第３の温度可変部４３によって第１のパッケージ６の温度を制御してから、第１、第２ヒーター４１１ａ、４１１ｂおよびペルチェ素子４２１ａの駆動を開始することにより、第１、第２ヒーター４１１ａ、４１１ｂおよびペルチェ素子４２１ａの無駄な駆動が無くなり省電力駆動が可能となる。
【００４６】
以上、原子発振器１の制御方法について説明した。この原子発振器１によれば、環境温度によらずにガスセル２および光出射部５を所定温度に制御することができるため、安定して所望の特性を発揮することができる。また、第１の場合には、ペルチェ素子４３１ａを駆動させないため、省電力化を図ることもできる。また、第１、第２ヒーター４１１ａ、４１１ｂおよびペルチェ素子４２１ａの仕事量の増加を防げるため、装置の小型化を図ることもできる。
以上、本発明の原子発振器を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く、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、他の任意の構成物や、工程が付加されていてもよい。
【００４７】
また、前述した実施形態では、第１のパッケージが仕切部によって２つの空間に仕切られているが、これに限定されず、仕切部を省略してもよい。
また、前述した実施形態では、第２のパッケージを有していたが、これに限定されず、第２のパッケージを省略してもよい。この場合には、環境温度検知部は、第１のパッケージに設ければよく、また、第３の温度可変部の温度検知部が環境温度検知部を兼ねていてもよい。
【符号の説明】
【００４８】
１‥‥原子発振器 ２‥‥ガスセル ２１‥‥本体 ２２、２３‥‥窓部 ３‥‥光検出部 ４１‥‥第１の温度可変部 ４１１‥‥加熱部 ４１１ａ‥‥第１ヒーター ４１１ｂ‥‥第２ヒーター ４１２‥‥温度検知部 ４２‥‥第２の温度可変部 ４２１‥‥加熱・冷却部 ４２１ａ‥‥ペルチェ素子 ４２２‥‥温度検知部 ４３‥‥第３の温度可変部 ４３１‥‥加熱・冷却部 ４３１ａ‥‥ペルチェ素子 ４３２‥‥温度検知部 ５‥‥光出射部 ６‥‥第１のパッケージ ６ａ‥‥側面 ６１‥‥仕切部 ７‥‥第２のパッケージ ８‥‥制御部 ９‥‥環境温度検知部 Ｓ１、Ｓ２‥‥空間
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスセルと、
前記ガスセルの温度を変化させる手段を有する第１の温度可変部と、
前記ガスセル中の気体の原子を励起する励起光を出射する光出射部と、
前記光出射部の温度を変化させる手段を有する第２の温度可変部と、
前記ガスセルと前記第１の温度可変部と前記光出射部と前記第２の温度可変部を収納する第１のパッケージと、
前記第１のパッケージの温度を変化させる手段を有する第３の温度可変部と、
前記第１の温度可変部、前記第２の温度可変部および前記第３の温度可変部の駆動を制御し、前記ガスセルの温度と前記光出射部の温度と前記第１のパッケージの温度を制御する制御部と、を有し、
前記制御部は、環境温度が所定温度ＴＬより低いか、或いは前記ＴＬよりも高温の所定温度ＴＨより高い場合に、前記第３の温度可変部を駆動することを特徴とする原子発振器。
【請求項２】
前記制御部は、前記環境温度が前記ＴＬ以上、且つ前記ＴＨ以下の場合に、前記第３の温度可変部の駆動を停止させ、前記第１の温度可変部および前記第２の温度可変部を駆動し、前記ガスセルおよび前記光出射部をそれぞれ所定温度に制御する請求項１に記載の原子発振器。
【請求項３】
前記ガスセルの前記所定温度をＴａとし、前記光出射部の前記所定温度をＴｂとしたとき、前記制御部は、前記第１のパッケージの温度をＴａとＴｂの間の温度に制御する請求項１または２に記載の原子発振器。
【請求項４】
前記第３の温度可変部は、ペルチェ素子を有し、
前記ペルチェ素子は、一方の面が前記第１のパッケージの外側の面に接触して設けられている請求項１ないし３のいずれかに記載の原子発振器。
【請求項５】
前記第１のパッケージおよび前記第３の温度可変部を収納する第２のパッケージを有する請求項４に記載の原子発振器。
【請求項６】
前記第２のパッケージは、前記ペルチェ素子の他方の面と接触して設けられている請求項５に記載の原子発振器。
【請求項７】
前記第２のパッケージは、熱伝導率が１４（Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１）以上の材料で構成されている請求項５または６に記載の原子発振器。
【請求項８】
前記第１のパッケージは、前記ガスセルおよび前記第１の温度可変部が位置する空間と、前記光出射部および前記第２の温度可変部が位置する空間とを仕切る仕切部を有しており、該仕切部は、光透過性を有している請求項１ないし７のいずれかに記載の原子発振器。
【請求項１】
ガスセルと、
前記ガスセルの温度を変化させる手段を有する第１の温度可変部と、
前記ガスセル中の気体の原子を励起する励起光を出射する光出射部と、
前記光出射部の温度を変化させる手段を有する第２の温度可変部と、
前記ガスセルと前記第１の温度可変部と前記光出射部と前記第２の温度可変部を収納する第１のパッケージと、
前記第１のパッケージの温度を変化させる手段を有する第３の温度可変部と、
前記第１の温度可変部、前記第２の温度可変部および前記第３の温度可変部の駆動を制御し、前記ガスセルの温度と前記光出射部の温度と前記第１のパッケージの温度を制御する制御部と、を有し、
前記制御部は、環境温度が所定温度ＴＬより低いか、或いは前記ＴＬよりも高温の所定温度ＴＨより高い場合に、前記第３の温度可変部を駆動することを特徴とする原子発振器。
【請求項２】
前記制御部は、前記環境温度が前記ＴＬ以上、且つ前記ＴＨ以下の場合に、前記第３の温度可変部の駆動を停止させ、前記第１の温度可変部および前記第２の温度可変部を駆動し、前記ガスセルおよび前記光出射部をそれぞれ所定温度に制御する請求項１に記載の原子発振器。
【請求項３】
前記ガスセルの前記所定温度をＴａとし、前記光出射部の前記所定温度をＴｂとしたとき、前記制御部は、前記第１のパッケージの温度をＴａとＴｂの間の温度に制御する請求項１または２に記載の原子発振器。
【請求項４】
前記第３の温度可変部は、ペルチェ素子を有し、
前記ペルチェ素子は、一方の面が前記第１のパッケージの外側の面に接触して設けられている請求項１ないし３のいずれかに記載の原子発振器。
【請求項５】
前記第１のパッケージおよび前記第３の温度可変部を収納する第２のパッケージを有する請求項４に記載の原子発振器。
【請求項６】
前記第２のパッケージは、前記ペルチェ素子の他方の面と接触して設けられている請求項５に記載の原子発振器。
【請求項７】
前記第２のパッケージは、熱伝導率が１４（Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１）以上の材料で構成されている請求項５または６に記載の原子発振器。
【請求項８】
前記第１のパッケージは、前記ガスセルおよび前記第１の温度可変部が位置する空間と、前記光出射部および前記第２の温度可変部が位置する空間とを仕切る仕切部を有しており、該仕切部は、光透過性を有している請求項１ないし７のいずれかに記載の原子発振器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−１９５７８８（Ｐ２０１２−１９５７８８Ａ）
【公開日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５８５５８（Ｐ２０１１−５８５５８）
【出願日】平成２３年３月１６日（２０１１．３．１６）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月１６日（２０１１．３．１６）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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