量子周波数標準器及び時刻制御システム
【課題】簡素な回路構成で低消費電力の量子周波数標準器。
【解決手段】化学結合している原子核間のスピン−スピン相互作用によって複数に分裂したエネルギー準位を有する物質１１０を含む容器１２０と、容器１２０に磁場を与える磁場発生源ＭＧと、容器１２０に電磁波を照射する発振器１５０と、を含む核磁気共鳴部１００と、核磁気共鳴部１００から出力される共鳴信号ＲＳからエネルギー準位の核磁気共鳴周波数ｆ１を検出し第１検出信号ＳＤ１として出力する第１検出部２００と、共鳴信号ＲＳから隣り合うエネルギー準位間のエネルギー差であるスピン結合定数Ｊを検出し第２検出信号ＳＤ２として出力する第２検出部３００と、第１検出信号ＳＤ１と第２検出信号ＳＤ２に基づき核磁気共鳴部１００を駆動する駆動信号ＤＳを生成する駆動信号生成部４００と、を含み、第２検出部３００は、第２検出信号ＳＤ２に基づき標準周波数信号ＳＯを出力する。
【解決手段】化学結合している原子核間のスピン−スピン相互作用によって複数に分裂したエネルギー準位を有する物質１１０を含む容器１２０と、容器１２０に磁場を与える磁場発生源ＭＧと、容器１２０に電磁波を照射する発振器１５０と、を含む核磁気共鳴部１００と、核磁気共鳴部１００から出力される共鳴信号ＲＳからエネルギー準位の核磁気共鳴周波数ｆ１を検出し第１検出信号ＳＤ１として出力する第１検出部２００と、共鳴信号ＲＳから隣り合うエネルギー準位間のエネルギー差であるスピン結合定数Ｊを検出し第２検出信号ＳＤ２として出力する第２検出部３００と、第１検出信号ＳＤ１と第２検出信号ＳＤ２に基づき核磁気共鳴部１００を駆動する駆動信号ＤＳを生成する駆動信号生成部４００と、を含み、第２検出部３００は、第２検出信号ＳＤ２に基づき標準周波数信号ＳＯを出力する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子現象を利用した量子周波数標準器及び時刻制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
量子周波数標準器は、高精度な周波数が必要な測位システム、無線通信システム、実験用測定機器、音楽ソフト制作等の分野で使用されている。一方、一般的な電子機器には、小型で安価な水晶発振器が用いられている。しかしながら、ネットワーク技術の発達により、通信の同期、時空の認証など高精度な時刻、時間、周波数が必要なアプリケーションが増加し、より高い精度が求められており、水晶発振器の精度では、時間や周波数の精度が不十分になりつつある。
【０００３】
量子周波数標準器として、第１族元素の基底準位の超微細構造内の特定準位間での遷移を利用したものが知られ、数ＧＨｚ〜数十ＧＨｚの周波数を持っている。最も低消費電力で小型の量子周波数標準器として、例えば特許文献１に示すようなＣＰＴ（Coherent Population Trapping）方式の量子周波数標準器が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００７−５３０９６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の第１族元素の基底準位の超微細構造内の特定準位間での遷移を利用する方法は、最外殻の電子のスピンを利用するため、外界の温度、圧力の影響を受けやすく、その調整機構が必要となる。また、高い周波数を利用する発振器なので消費電力が大きくなる。したがって、一般的な電子機器に使用するための、温度依存性の排除、低周波出力、低消費電力が困難である。
【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、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］
化学結合している原子核間のスピン−スピン相互作用によって複数に分裂したエネルギー準位を有する物質を含む容器と、前記容器に磁場を与える磁場発生源と、前記容器に電磁波を照射する発振器と、を含む核磁気共鳴部と、前記核磁気共鳴部から出力される共鳴信号から前記複数に分裂したエネルギー準位のいずれか１つに対応する核磁気共鳴周波数ｆ１を検出し第１検出信号として出力する第１検出部と、前記共鳴信号から隣り合う前記複数に分裂したエネルギー準位間のエネルギー差であるスピン結合定数Ｊを検出し第２検出信号として出力する第２検出部と、前記第１検出信号と前記第２検出信号に基づき前記核磁気共鳴部を駆動する駆動信号を生成する駆動信号生成部と、を含み、前記第２検出部は、前記第２検出信号に基づき標準周波数信号を出力する、ことを特徴とする量子周波数標準器。
【０００８】
この構成によれば、核磁気共鳴部から第１検出部及び第２検出部により核磁気共鳴周波数ｆ１とスピン結合定数Ｊを検出し、核磁気共鳴周波数ｆ１とスピン結合定数Ｊに基づき核磁気共鳴部を駆動するので、スピン結合定数Ｊに基づき出力される標準周波数信号は比較的低い共鳴周波数となり、さらに加熱温度制御不要で低消費電力な量子周波数標準器を実現できる。
【０００９】
［適用例２］
上記に記載の量子周波数標準器において、前記第１検出部は、前記共鳴信号を測定信号として入力し前記第１検出信号を参照信号として入力し第１直流周波数信号を出力する第１ロックインアンプと、前記第１直流周波数信号を増幅し第１増幅信号を出力する第１サーボ増幅器と、出力する第１発振信号の周波数を前記第１増幅信号に基づき制御する第１電圧制御発振器と、前記第１発振信号を分周し前記第１検出信号を出力する第１分周器と、を含み、前記第２検出部は、前記共鳴信号と前記第２検出信号とを乗算した第１乗算信号を出力する第１乗算器と、前記第１乗算信号を測定信号として入力し前記第１検出信号を参照信号として入力し第２直流周波数信号を出力する第２ロックインアンプと、前記第２直流周波数信号を増幅し第２増幅信号を出力する第２サーボ増幅器と、出力する前記標準周波数信号の周波数を前記第２増幅信号に基づき制御する第２電圧制御発振器と、前記標準周波数信号を分周し前記第２検出信号を出力する第２分周器と、を含み、前記駆動信号生成部は、前記第１検出信号と前記第２検出信号とを乗算した第２乗算信号を出力する第２乗算器と、前記第２乗算信号と前記第１検出信号とを加算し前記駆動信号を出力する加算器と、を含む、ことを特徴とする量子周波数標準器。
【００１０】
この構成によれば、核磁気共鳴部から第１検出部及び第２検出部により核磁気共鳴周波数ｆ１とスピン結合定数Ｊを検出し、核磁気共鳴周波数ｆ１とスピン結合定数Ｊに基づき核磁気共鳴部を駆動するので、スピン結合定数Ｊに基づき出力される標準周波数信号は比較的低い共鳴周波数となり、さらに加熱温度制御不要で低消費電力な量子周波数標準器を実現できる。
【００１１】
［適用例３］
上記に記載の量子周波数標準器において、前記第１検出部は、前記共鳴信号を測定信号として入力し前記第１検出信号を参照信号として入力し第１直流周波数信号を出力する第３乗算器を含む第１ロックインアンプと、前記第１直流周波数信号を増幅し第１増幅信号を出力する第１サーボ増幅器と、出力する第１発振信号の周波数を前記第１増幅信号に基づき制御する第１電圧制御発振器と、前記第１発振信号を分周し前記第１検出信号を出力する第１分周器と、を含み、前記第２検出部は、前記第３乗算器の出力信号を測定信号として入力し前記第２検出信号を参照信号として入力し第２直流周波数信号を出力する第２ロックインアンプと、前記第２直流周波数信号を増幅し第２増幅信号を出力する第２サーボ増幅器と、出力する前記標準周波数信号の周波数を前記第２増幅信号に基づき制御する第２電圧制御発振器と、前記標準周波数信号を分周し前記第２検出信号を出力する第２分周器と、を含み、前記駆動信号生成部は、前記第１検出信号と前記第２検出信号とを乗算した第２乗算信号を出力する第２乗算器と、前記第２乗算信号と前記第１検出信号とを加算し前記駆動信号を出力する加算器と、を含む、ことを特徴とする量子周波数標準器。
【００１２】
この構成によれば、核磁気共鳴部から第１検出部及び第２検出部により核磁気共鳴周波数ｆ１とスピン結合定数Ｊを検出し、核磁気共鳴周波数ｆ１とスピン結合定数Ｊに基づき核磁気共鳴部を駆動するので、スピン結合定数Ｊに基づき出力される標準周波数信号は比較的低い共鳴周波数となり、さらに加熱温度制御不要で低消費電力な量子周波数標準器を実現できる。
【００１３】
［適用例４］
上記に記載の量子周波数標準器において、前記第１検出部は、第１低周波数信号を出力する第１発振器と、前記共鳴信号を測定信号として入力し前記第１低周波数信号を参照信号として入力し第１直流周波数信号を出力する第１ロックインアンプと、前記第１直流周波数信号を増幅し第１増幅信号を出力する第１サーボ増幅器と、出力する第１発振信号の周波数を前記第１増幅信号に基づき制御する第１電圧制御発振器と、前記第１発振信号を分周し前記第１検出信号を出力する第１分周器と、を含み、前記第２検出部は、第２低周波数信号を出力する第２発振器と、前記共鳴信号を測定信号として入力し前記第２低周波数信号を参照信号として入力し第２直流周波数信号を出力する第２ロックインアンプと、前記第２直流周波数信号を増幅し第２増幅信号を出力する第２サーボ増幅器と、出力する前記標準周波数信号の周波数を前記第２増幅信号に基づき制御する第２電圧制御発振器と、前記標準周波数信号を分周し前記第２検出信号を出力する第２分周器と、を含み、前記駆動信号生成部は、前記第１検出信号と前記第２検出信号とを乗算した第２乗算信号を出力する第２乗算器と、前記第１検出信号の周波数を前記第１低周波数信号に基づき変調させた第１変調信号を出力する第１周波数変調器と、前記第２検出信号の周波数を前記第２低周波数信号に基づき変調させた第２変調信号を出力する第２周波数変調器と、前記第１変調信号と前記第２変調信号とを加算し前記駆動信号を出力する加算器と、を含む、ことを特徴とする量子周波数標準器。
【００１４】
この構成によれば、核磁気共鳴部から第１検出部及び第２検出部により核磁気共鳴周波数ｆ１とスピン結合定数Ｊを検出し、核磁気共鳴周波数ｆ１とスピン結合定数Ｊに基づき核磁気共鳴部を駆動するので、スピン結合定数Ｊに基づき出力される標準周波数信号は比較的低い共鳴周波数となり、さらに加熱温度制御不要で低消費電力な量子周波数標準器を実現できる。
【００１５】
［適用例５］
上記に記載の量子周波数標準器において、前記物質は液体または気体であることを特徴とする量子周波数標準器。
【００１６】
この構成によれば、温度依存性が少なく温度制御が必要ないので低消費電力化を実現できる。
【００１７】
［適用例６］
上記に記載の量子周波数標準器において、前記物質は1Ｈ、19Ｆ、31Ｐであることを特徴とする量子周波数標準器。
【００１８】
この構成によれば、これらの物質を使うことにより感度よく共鳴させることができる。
【００１９】
［適用例７］
上記に記載の量子周波数標準器が出力する標準周波数信号に基づき時刻制御する時刻制御システム。
【００２０】
この構成によれば、比較的低い共鳴周波数の標準周波数を得られ、さらに加熱温度制御不要で低消費電力な時刻制御システムを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】第１実施形態に係る量子周波数標準器の構成を示す構成図。
【図２】スピン結合により２つに分裂したＮＭＲスペクトルの模式図。
【図３】第１実施形態に係る量子周波数標準器の動作を示す波形図。
【図４】第２実施形態に係る量子周波数標準器の構成を示す構成図。
【図５】第２実施形態に係る量子周波数標準器の動作を示す波形図。
【図６】第３実施形態に係る量子周波数標準器の構成を示す構成図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、量子周波数標準器の実施形態について図面に従って説明する。
【００２３】
（第１実施形態）
＜量子周波数標準器の構成＞
先ず、第１実施形態に係る量子周波数標準器の構成について、図１を参照して説明する。図１は、第１実施形態に係る量子周波数標準器の構成を示す構成図である。
【００２４】
図１に示すように、量子周波数標準器１は、核磁気共鳴部１００と、第１検出部２００と、第２検出部３００と、駆動信号生成部４００と、から構成されている。
【００２５】
核磁気共鳴部１００は、化学結合している原子核間のスピン−スピン相互作用によって複数に分裂したエネルギー準位を有する物質１１０が入った容器１２０と、容器１２０に磁場ＭＦを与える永久磁石や電磁石などの磁場発生源ＭＧと、容器１２０に電磁波を照射するコイルＬと可変容量素子ＶＣと抵抗Ｒ２とが配線１４０と接地電位ＧＮＤとの間に並列に接続されて構成される発振器１５０と、抵抗Ｒ１と、増幅器１３０と、から構成されている。抵抗Ｒ１は、駆動信号生成部４００と配線１４０との間に接続されている。増幅器１３０は、配線１４０と接続され第１検出部２００及び第２検出部３００に共鳴信号ＲＳを出力する。
【００２６】
共鳴を観測する物質１１０は、感度の点から1Ｈ、19Ｆ、31Ｐなどがよく、液体または気体の状態で容器１２０に封入されている。スピン結合定数Ｊは、２つの核磁気共鳴（ＮＭＲ：Nuclear Magnetic Resonance）スペクトルの差周波数であるため、直接その周波数を共鳴により検出することはできない。
【００２７】
図２は、スピン結合により２つに分裂したＮＭＲスペクトルの模式図である。図２において、低周波数側のピークの周波数（核磁気共鳴周波数）をｆ１、高周波数側のピークの周波数をｆ２、スピン結合定数をＪとすると、ｆ２＝ｆ１＋Ｊの関係が常に成り立つ。
【００２８】
図１において、第１検出部２００は、共鳴信号ＲＳから低周波数側のピークの周波数ｆ１を検出し第１検出信号ＳＤ１として出力する。第２検出部３００は、共鳴信号ＲＳからスピン結合定数Ｊを検出し第２検出信号ＳＤ２として出力する。駆動信号生成部４００は、第１検出信号ＳＤ１と第２検出信号ＳＤ２とから核磁気共鳴部１００を駆動する駆動信号ＤＳを出力する。
【００２９】
第１検出部２００は、第１ロックインアンプ２１０と、第１サーボ増幅器であるサーボ増幅器２２０と、第１電圧制御発振器であるＶＣＸＯ（Voltage Controlled Xtal Oscillator）２３０と、第１分周器である分周器２４０と、から構成されている。第１ロックインアンプ２１０は、同期検波回路（ＰＳＤ：Phase Sensitive Detecter）２１１と移相回路２１２と低域通過フィルター（ＬＰＦ：Low Pass Filter）２１３とから構成されている。
【００３０】
第１ロックインアンプ２１０は、核磁気共鳴部１００から出力される共鳴信号ＲＳを測定信号として入力し、第１検出信号ＳＤ１を参照信号として入力し、第１直流周波数信号ＤＣ１を出力する。サーボ増幅器２２０は、第１直流周波数信号ＤＣ１を増幅し第１増幅信号ＶＣ１を出力する。ＶＣＸＯ２３０は、第１増幅信号ＶＣ１に基づき出力する第１発振信号ＯＳ１の周波数を制御する。分周器２４０は、第１発振信号ＯＳ１を分周し第１検出信号ＳＤ１を出力する。
【００３１】
第２検出部３００は、第１乗算器である乗算器３５０と、第２ロックインアンプ３１０と、第２サーボ増幅器であるサーボ増幅器３２０と、第２電圧制御発振器であるＶＣＸＯ３３０と、第２分周器である分周器３４０と、から構成されている。第２ロックインアンプ３１０は、ＰＳＤ３１１と移相回路３１２とＬＰＦ３１３とから構成されている。
【００３２】
乗算器３５０は、共鳴信号ＲＳと第２検出信号ＳＤ２とを乗算した第１乗算信号ＭＳ１を出力する。第２ロックインアンプ３１０は、第１乗算信号ＭＳ１を測定信号として入力し、第１検出信号ＳＤ１を参照信号として入力し、第２直流周波数信号ＤＣ２を出力する。サーボ増幅器３２０は、第２直流周波数信号ＤＣ２を増幅し第２増幅信号ＶＣ２を出力する。ＶＣＸＯ３３０は、第２増幅信号ＶＣ２に基づき出力する標準周波数信号ＳＯの周波数を制御する。分周器３４０は、標準周波数信号ＳＯを分周し第２検出信号ＳＤ２を出力する。
【００３３】
駆動信号生成部４００は、第２乗算器である乗算器４１０と加算器４２０とから構成されている。乗算器４１０は、第１検出信号ＳＤ１と第２検出信号ＳＤ２とを乗算し第２乗算信号ＭＳ２を出力する。加算器４２０は、第２乗算信号ＭＳ２と第１検出信号ＳＤ１とを加算し駆動信号ＤＳを出力する。
【００３４】
＜量子周波数標準器の動作＞
次に、第１実施形態に係る量子周波数標準器の動作について、図３を参照して説明する。図３は、第１実施形態に係る量子周波数標準器の動作を示す波形図である。
【００３５】
図３に示すように、第１検出部２００から出力される第１検出信号ＳＤ１は、核磁気共鳴部１００が出力する共鳴信号ＲＳの低周波数側のピークの周波数ｆ１となり、第２検出部３００から出力される第２検出信号ＳＤ２は、スピン結合定数Ｊとなる。一例として1Ｈの場合、周波数ｆ１は４２．６ＭＨｚ／Ｔ、スピン結合定数Ｊは４５Ｈｚである。
【００３６】
第１検出信号ＳＤ１と第２検出信号ＳＤ２とを乗算器４１０で乗算した第２乗算信号ＭＳ２の周波数は、ｆ１−Ｊとｆ１＋Ｊになる。第２乗算信号ＭＳ２と第１検出信号ＳＤ１とを加算器４２０で加算した駆動信号ＤＳの周波数は、ｆ１−Ｊとｆ１とｆ１＋Ｊになる。核磁気共鳴部１００に駆動信号ＤＳを印加した結果、共鳴信号ＲＳの周波数はｆ１とｆ１＋Ｊになる。共鳴信号ＲＳを測定信号かつ第１検出信号ＳＤ１を参照信号として再び第１検出部２００に入力すると、第１検出信号ＳＤ１の周波数はｆ１となる。
【００３７】
一方、共鳴信号ＲＳと第２検出信号ＳＤ２とを乗算器３５０で乗算した第１乗算信号ＭＳ１の周波数は、ｆ１−Ｊとｆ１とｆ１＋Ｊとｆ１＋２Ｊになる。第１乗算信号ＭＳ１を測定信号かつ第１検出信号ＳＤ１を参照信号として再び第２検出部３００に入力すると、第２検出信号ＳＤ２の周波数はＪとなる。
【００３８】
以上に述べた本実施形態によれば、以下の効果が得られる。
【００３９】
本実施形態では、核磁気共鳴部１００から第１検出部２００及び第２検出部３００により核磁気共鳴周波数ｆ１とスピン結合定数Ｊを検出し、核磁気共鳴周波数ｆ１とスピン結合定数Ｊに基づき核磁気共鳴部１００を駆動するので、スピン結合定数Ｊに基づき出力される標準周波数信号ＳＯは比較的低い共鳴周波数となり、さらに加熱温度制御不要で低消費電力な量子周波数標準器１を実現できる。
【００４０】
（第２実施形態）
次に、量子周波数標準器の第２実施形態について説明する。第１実施形態においては、量子周波数標準器１は、第１ロックインアンプ２１０及び第２ロックインアンプ３１０をＰＳＤ２１１及びＰＳＤ３１１で構成するように説明したが、乗算器で構成するようにしてもよい。
【００４１】
図４は、第２実施形態に係る量子周波数標準器の構成を示す構成図である。図４に示すように、量子周波数標準器１０００は、核磁気共鳴部１００と、第１検出部１２００と、第２検出部１３００と、駆動信号生成部４００と、から構成されている。
【００４２】
第１検出部１２００は、第１実施形態の第１ロックインアンプ２１０の代わりに第１ロックインアンプ１２１０で構成されている。第１ロックインアンプ１２１０は、第３乗算器である乗算器１２１１と移相回路１２１２とＬＰＦ１２１３とから構成されている。
【００４３】
第２検出部１３００は、第１実施形態の第２ロックインアンプ３１０の代わりに第２ロックインアンプ１３１０で構成されている。第２ロックインアンプ１３１０は、乗算器１３１１と移相回路１３１２とＬＰＦ１３１３とから構成されている。さらに、第１実施形態の第２検出部３００にあった乗算器３５０が省略されている。第２検出部１３００は、乗算器３５０の機能を第１検出部１２００の乗算器１２１１で置き換えている。つまり、第２ロックインアンプ１３１０は、乗算器１２１１の出力信号ＳＤ３を測定信号かつ第２検出信号ＳＤ２を参照信号として入力し、第２直流周波数信号ＤＣ２を出力する。
【００４４】
次に、第２実施形態に係る量子周波数標準器の動作について、図５を参照して説明する。図５は、第２実施形態に係る量子周波数標準器の動作を示す波形図である。
【００４５】
図５に示すように、第１検出部１２００から出力される第１検出信号ＳＤ１は、核磁気共鳴部１００が出力する共鳴信号ＲＳの低周波数側のピークの周波数ｆ１となり、第２検出部１３００から出力される第２検出信号ＳＤ２は、スピン結合定数Ｊとなる。
【００４６】
第１検出信号ＳＤ１と第２検出信号ＳＤ２とを乗算器４１０で乗算した第２乗算信号ＭＳ２の周波数は、ｆ１−Ｊとｆ１＋Ｊになる。第２乗算信号ＭＳ２と第１検出信号ＳＤ１とを加算器４２０で加算した駆動信号ＤＳの周波数は、ｆ１−Ｊとｆ１とｆ１＋Ｊになる。核磁気共鳴部１００に駆動信号ＤＳを印加した結果、共鳴信号ＲＳの周波数はｆ１とｆ１＋Ｊになる。共鳴信号ＲＳと第１検出信号ＳＤ１を乗算器１２１１で乗算した出力信号ＳＤ３の周波数は、０とＪと２ｆ１と２ｆ１＋Ｊになる。
【００４７】
出力信号ＳＤ３を測定信号かつ第２検出信号ＳＤ２を参照信号として再び第２検出部１３００に入力すると、第２検出信号ＳＤ２の周波数はＪとなる。
【００４８】
以上に述べた本実施形態によれば、以下の効果が得られる。
【００４９】
本実施形態では、核磁気共鳴部１００から第１検出部１２００及び第２検出部１３００により核磁気共鳴周波数ｆ１とスピン結合定数Ｊを検出し、核磁気共鳴周波数ｆ１とスピン結合定数Ｊに基づき核磁気共鳴部１００を駆動するので、スピン結合定数Ｊに基づき出力される標準周波数信号ＳＯは比較的低い共鳴周波数となり、さらに加熱温度制御不要で低消費電力な量子周波数標準器１を実現できる。
【００５０】
（第３実施形態）
次に、量子周波数標準器の第３実施形態について説明する。図６は、第３実施形態に係る量子周波数標準器の構成を示す構成図である。図６に示すように、量子周波数標準器２０００は、核磁気共鳴部１００と、第１検出部２２００と、第２検出部２３００と、駆動信号生成部２４００と、から構成されている。
【００５１】
第１検出部２２００は、第１低周波数信号ＦＭ１を出力する第１発振器である変調用低周波発振器２２５０と、共鳴信号ＲＳを測定信号かつ第１低周波数信号ＦＭ１を参照信号として入力し第１直流周波数信号ＤＣ１を出力する第１ロックインアンプ２２１０と、第１直流周波数信号ＤＣ１を増幅し第１増幅信号ＶＣ１を出力する第１サーボ増幅器であるサーボ増幅器２２０と、出力する第１発振信号ＯＳ１の周波数を第１増幅信号ＶＣ１に基づき制御する第１電圧制御発振器であるＶＣＸＯ２３０と、第１発振信号ＯＳ１を分周し第１検出信号ＳＤ１を出力する第１分周器である分周器２４０と、から構成されている。
【００５２】
第２検出部２３００は、第２低周波数信号ＦＭ２を出力する第２発振器である変調用低周波発振器２３５０と、共鳴信号ＲＳを測定信号かつ第２低周波数信号ＦＭ２を参照信号として入力し第２直流周波数信号ＤＣ２を出力する第２ロックインアンプ２３１０と、第２直流周波数信号ＤＣ２を増幅し第２増幅信号ＶＣ２を出力する第２サーボ増幅器であるサーボ増幅器３２０と、出力する標準周波数信号ＳＯの周波数を第２増幅信号ＶＣ２に基づき制御する第２電圧制御発振器であるＶＣＸＯ３３０と、標準周波数信号ＳＯを分周し第２検出信号ＳＤ２を出力する第２分周器である分周器３４０と、から構成されている。
【００５３】
駆動信号生成部２４００は、第１検出信号ＳＤ１と第２検出信号ＳＤ２とを乗算した第２乗算信号ＭＳ２を出力する第２乗算器である乗算器２４１０と、第１検出信号ＳＤ１の周波数を第１低周波数信号ＦＭ１に基づき変調させた第１変調信号ＳＭ１を出力する第１周波数変調器２４３０と、第２乗算信号ＭＳ２の周波数を第２低周波数信号ＦＭ２に基づき変調させた第２変調信号ＳＭ２を出力する第２周波数変調器２４４０と、第１変調信号ＳＭ１と第２変調信号ＳＭ２とを加算し駆動信号ＤＳを出力する加算器２４２０と、から構成されている。
【００５４】
以上、量子周波数標準器の実施形態を説明したが、こうした実施の形態に何ら限定されるものではなく、趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることができる。以下、変形例を挙げて説明する。
【００５５】
（変形例１）量子周波数標準器の変形例１について説明する。上記第１実施形態〜第３実施形態で説明したいずれかの量子周波数標準器（１，１０００，２０００）が出力する標準周波数信号ＳＯに基づき時刻制御する時刻制御システムを提案する。この構成によれば、比較的低い共鳴周波数の標準周波数を得られ、さらに加熱温度制御不要で低消費電力な時刻制御システムを実現できる。
【符号の説明】
【００５６】
１…量子周波数標準器、１００…核磁気共鳴部、１１０…物質、１２０…容器、１３０…増幅器、１４０…配線、１５０…発振器、２００…第１検出部、２１０…第１ロックインアンプ、２１１…ＰＳＤ、２１２…移相回路、２２０…サーボ増幅器、２３０…ＶＣＸＯ、２４０…分周器、３００…第２検出部、３１０…第２ロックインアンプ、３１１…ＰＳＤ、３１２…移相回路、３１３…ＬＰＦ、３２０…サーボ増幅器、３３０…ＶＣＸＯ、３４０…分周器、３５０…乗算器、４００…駆動信号生成部、４１０…乗算器、４２０…加算器、１０００…量子周波数標準器、１２００…第１検出部、１２１０…第１ロックインアンプ、１２１１…乗算器、１２１２…移相回路、１２１３…ＬＰＦ、１３００…第２検出部、１３１０…第２ロックインアンプ、１３１１…乗算器、１３１２…移相回路、１３１３…ＬＰＦ、２０００…量子周波数標準器、２２００…第１検出部、２２１０…第１ロックインアンプ、２２５０…変調用低周波発振器、２３００…第２検出部、２３１０…第２ロックインアンプ、２３５０…変調用低周波発振器、２４００…駆動信号生成部、２４１０…乗算器、２４２０…加算器、２４３０…第１周波数変調器、２４４０…第２周波数変調器。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子現象を利用した量子周波数標準器及び時刻制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
量子周波数標準器は、高精度な周波数が必要な測位システム、無線通信システム、実験用測定機器、音楽ソフト制作等の分野で使用されている。一方、一般的な電子機器には、小型で安価な水晶発振器が用いられている。しかしながら、ネットワーク技術の発達により、通信の同期、時空の認証など高精度な時刻、時間、周波数が必要なアプリケーションが増加し、より高い精度が求められており、水晶発振器の精度では、時間や周波数の精度が不十分になりつつある。
【０００３】
量子周波数標準器として、第１族元素の基底準位の超微細構造内の特定準位間での遷移を利用したものが知られ、数ＧＨｚ〜数十ＧＨｚの周波数を持っている。最も低消費電力で小型の量子周波数標準器として、例えば特許文献１に示すようなＣＰＴ（Coherent Population Trapping）方式の量子周波数標準器が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００７−５３０９６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の第１族元素の基底準位の超微細構造内の特定準位間での遷移を利用する方法は、最外殻の電子のスピンを利用するため、外界の温度、圧力の影響を受けやすく、その調整機構が必要となる。また、高い周波数を利用する発振器なので消費電力が大きくなる。したがって、一般的な電子機器に使用するための、温度依存性の排除、低周波出力、低消費電力が困難である。
【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、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］
化学結合している原子核間のスピン−スピン相互作用によって複数に分裂したエネルギー準位を有する物質を含む容器と、前記容器に磁場を与える磁場発生源と、前記容器に電磁波を照射する発振器と、を含む核磁気共鳴部と、前記核磁気共鳴部から出力される共鳴信号から前記複数に分裂したエネルギー準位のいずれか１つに対応する核磁気共鳴周波数ｆ１を検出し第１検出信号として出力する第１検出部と、前記共鳴信号から隣り合う前記複数に分裂したエネルギー準位間のエネルギー差であるスピン結合定数Ｊを検出し第２検出信号として出力する第２検出部と、前記第１検出信号と前記第２検出信号に基づき前記核磁気共鳴部を駆動する駆動信号を生成する駆動信号生成部と、を含み、前記第２検出部は、前記第２検出信号に基づき標準周波数信号を出力する、ことを特徴とする量子周波数標準器。
【０００８】
この構成によれば、核磁気共鳴部から第１検出部及び第２検出部により核磁気共鳴周波数ｆ１とスピン結合定数Ｊを検出し、核磁気共鳴周波数ｆ１とスピン結合定数Ｊに基づき核磁気共鳴部を駆動するので、スピン結合定数Ｊに基づき出力される標準周波数信号は比較的低い共鳴周波数となり、さらに加熱温度制御不要で低消費電力な量子周波数標準器を実現できる。
【０００９】
［適用例２］
上記に記載の量子周波数標準器において、前記第１検出部は、前記共鳴信号を測定信号として入力し前記第１検出信号を参照信号として入力し第１直流周波数信号を出力する第１ロックインアンプと、前記第１直流周波数信号を増幅し第１増幅信号を出力する第１サーボ増幅器と、出力する第１発振信号の周波数を前記第１増幅信号に基づき制御する第１電圧制御発振器と、前記第１発振信号を分周し前記第１検出信号を出力する第１分周器と、を含み、前記第２検出部は、前記共鳴信号と前記第２検出信号とを乗算した第１乗算信号を出力する第１乗算器と、前記第１乗算信号を測定信号として入力し前記第１検出信号を参照信号として入力し第２直流周波数信号を出力する第２ロックインアンプと、前記第２直流周波数信号を増幅し第２増幅信号を出力する第２サーボ増幅器と、出力する前記標準周波数信号の周波数を前記第２増幅信号に基づき制御する第２電圧制御発振器と、前記標準周波数信号を分周し前記第２検出信号を出力する第２分周器と、を含み、前記駆動信号生成部は、前記第１検出信号と前記第２検出信号とを乗算した第２乗算信号を出力する第２乗算器と、前記第２乗算信号と前記第１検出信号とを加算し前記駆動信号を出力する加算器と、を含む、ことを特徴とする量子周波数標準器。
【００１０】
この構成によれば、核磁気共鳴部から第１検出部及び第２検出部により核磁気共鳴周波数ｆ１とスピン結合定数Ｊを検出し、核磁気共鳴周波数ｆ１とスピン結合定数Ｊに基づき核磁気共鳴部を駆動するので、スピン結合定数Ｊに基づき出力される標準周波数信号は比較的低い共鳴周波数となり、さらに加熱温度制御不要で低消費電力な量子周波数標準器を実現できる。
【００１１】
［適用例３］
上記に記載の量子周波数標準器において、前記第１検出部は、前記共鳴信号を測定信号として入力し前記第１検出信号を参照信号として入力し第１直流周波数信号を出力する第３乗算器を含む第１ロックインアンプと、前記第１直流周波数信号を増幅し第１増幅信号を出力する第１サーボ増幅器と、出力する第１発振信号の周波数を前記第１増幅信号に基づき制御する第１電圧制御発振器と、前記第１発振信号を分周し前記第１検出信号を出力する第１分周器と、を含み、前記第２検出部は、前記第３乗算器の出力信号を測定信号として入力し前記第２検出信号を参照信号として入力し第２直流周波数信号を出力する第２ロックインアンプと、前記第２直流周波数信号を増幅し第２増幅信号を出力する第２サーボ増幅器と、出力する前記標準周波数信号の周波数を前記第２増幅信号に基づき制御する第２電圧制御発振器と、前記標準周波数信号を分周し前記第２検出信号を出力する第２分周器と、を含み、前記駆動信号生成部は、前記第１検出信号と前記第２検出信号とを乗算した第２乗算信号を出力する第２乗算器と、前記第２乗算信号と前記第１検出信号とを加算し前記駆動信号を出力する加算器と、を含む、ことを特徴とする量子周波数標準器。
【００１２】
この構成によれば、核磁気共鳴部から第１検出部及び第２検出部により核磁気共鳴周波数ｆ１とスピン結合定数Ｊを検出し、核磁気共鳴周波数ｆ１とスピン結合定数Ｊに基づき核磁気共鳴部を駆動するので、スピン結合定数Ｊに基づき出力される標準周波数信号は比較的低い共鳴周波数となり、さらに加熱温度制御不要で低消費電力な量子周波数標準器を実現できる。
【００１３】
［適用例４］
上記に記載の量子周波数標準器において、前記第１検出部は、第１低周波数信号を出力する第１発振器と、前記共鳴信号を測定信号として入力し前記第１低周波数信号を参照信号として入力し第１直流周波数信号を出力する第１ロックインアンプと、前記第１直流周波数信号を増幅し第１増幅信号を出力する第１サーボ増幅器と、出力する第１発振信号の周波数を前記第１増幅信号に基づき制御する第１電圧制御発振器と、前記第１発振信号を分周し前記第１検出信号を出力する第１分周器と、を含み、前記第２検出部は、第２低周波数信号を出力する第２発振器と、前記共鳴信号を測定信号として入力し前記第２低周波数信号を参照信号として入力し第２直流周波数信号を出力する第２ロックインアンプと、前記第２直流周波数信号を増幅し第２増幅信号を出力する第２サーボ増幅器と、出力する前記標準周波数信号の周波数を前記第２増幅信号に基づき制御する第２電圧制御発振器と、前記標準周波数信号を分周し前記第２検出信号を出力する第２分周器と、を含み、前記駆動信号生成部は、前記第１検出信号と前記第２検出信号とを乗算した第２乗算信号を出力する第２乗算器と、前記第１検出信号の周波数を前記第１低周波数信号に基づき変調させた第１変調信号を出力する第１周波数変調器と、前記第２検出信号の周波数を前記第２低周波数信号に基づき変調させた第２変調信号を出力する第２周波数変調器と、前記第１変調信号と前記第２変調信号とを加算し前記駆動信号を出力する加算器と、を含む、ことを特徴とする量子周波数標準器。
【００１４】
この構成によれば、核磁気共鳴部から第１検出部及び第２検出部により核磁気共鳴周波数ｆ１とスピン結合定数Ｊを検出し、核磁気共鳴周波数ｆ１とスピン結合定数Ｊに基づき核磁気共鳴部を駆動するので、スピン結合定数Ｊに基づき出力される標準周波数信号は比較的低い共鳴周波数となり、さらに加熱温度制御不要で低消費電力な量子周波数標準器を実現できる。
【００１５】
［適用例５］
上記に記載の量子周波数標準器において、前記物質は液体または気体であることを特徴とする量子周波数標準器。
【００１６】
この構成によれば、温度依存性が少なく温度制御が必要ないので低消費電力化を実現できる。
【００１７】
［適用例６］
上記に記載の量子周波数標準器において、前記物質は1Ｈ、19Ｆ、31Ｐであることを特徴とする量子周波数標準器。
【００１８】
この構成によれば、これらの物質を使うことにより感度よく共鳴させることができる。
【００１９】
［適用例７］
上記に記載の量子周波数標準器が出力する標準周波数信号に基づき時刻制御する時刻制御システム。
【００２０】
この構成によれば、比較的低い共鳴周波数の標準周波数を得られ、さらに加熱温度制御不要で低消費電力な時刻制御システムを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】第１実施形態に係る量子周波数標準器の構成を示す構成図。
【図２】スピン結合により２つに分裂したＮＭＲスペクトルの模式図。
【図３】第１実施形態に係る量子周波数標準器の動作を示す波形図。
【図４】第２実施形態に係る量子周波数標準器の構成を示す構成図。
【図５】第２実施形態に係る量子周波数標準器の動作を示す波形図。
【図６】第３実施形態に係る量子周波数標準器の構成を示す構成図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、量子周波数標準器の実施形態について図面に従って説明する。
【００２３】
（第１実施形態）
＜量子周波数標準器の構成＞
先ず、第１実施形態に係る量子周波数標準器の構成について、図１を参照して説明する。図１は、第１実施形態に係る量子周波数標準器の構成を示す構成図である。
【００２４】
図１に示すように、量子周波数標準器１は、核磁気共鳴部１００と、第１検出部２００と、第２検出部３００と、駆動信号生成部４００と、から構成されている。
【００２５】
核磁気共鳴部１００は、化学結合している原子核間のスピン−スピン相互作用によって複数に分裂したエネルギー準位を有する物質１１０が入った容器１２０と、容器１２０に磁場ＭＦを与える永久磁石や電磁石などの磁場発生源ＭＧと、容器１２０に電磁波を照射するコイルＬと可変容量素子ＶＣと抵抗Ｒ２とが配線１４０と接地電位ＧＮＤとの間に並列に接続されて構成される発振器１５０と、抵抗Ｒ１と、増幅器１３０と、から構成されている。抵抗Ｒ１は、駆動信号生成部４００と配線１４０との間に接続されている。増幅器１３０は、配線１４０と接続され第１検出部２００及び第２検出部３００に共鳴信号ＲＳを出力する。
【００２６】
共鳴を観測する物質１１０は、感度の点から1Ｈ、19Ｆ、31Ｐなどがよく、液体または気体の状態で容器１２０に封入されている。スピン結合定数Ｊは、２つの核磁気共鳴（ＮＭＲ：Nuclear Magnetic Resonance）スペクトルの差周波数であるため、直接その周波数を共鳴により検出することはできない。
【００２７】
図２は、スピン結合により２つに分裂したＮＭＲスペクトルの模式図である。図２において、低周波数側のピークの周波数（核磁気共鳴周波数）をｆ１、高周波数側のピークの周波数をｆ２、スピン結合定数をＪとすると、ｆ２＝ｆ１＋Ｊの関係が常に成り立つ。
【００２８】
図１において、第１検出部２００は、共鳴信号ＲＳから低周波数側のピークの周波数ｆ１を検出し第１検出信号ＳＤ１として出力する。第２検出部３００は、共鳴信号ＲＳからスピン結合定数Ｊを検出し第２検出信号ＳＤ２として出力する。駆動信号生成部４００は、第１検出信号ＳＤ１と第２検出信号ＳＤ２とから核磁気共鳴部１００を駆動する駆動信号ＤＳを出力する。
【００２９】
第１検出部２００は、第１ロックインアンプ２１０と、第１サーボ増幅器であるサーボ増幅器２２０と、第１電圧制御発振器であるＶＣＸＯ（Voltage Controlled Xtal Oscillator）２３０と、第１分周器である分周器２４０と、から構成されている。第１ロックインアンプ２１０は、同期検波回路（ＰＳＤ：Phase Sensitive Detecter）２１１と移相回路２１２と低域通過フィルター（ＬＰＦ：Low Pass Filter）２１３とから構成されている。
【００３０】
第１ロックインアンプ２１０は、核磁気共鳴部１００から出力される共鳴信号ＲＳを測定信号として入力し、第１検出信号ＳＤ１を参照信号として入力し、第１直流周波数信号ＤＣ１を出力する。サーボ増幅器２２０は、第１直流周波数信号ＤＣ１を増幅し第１増幅信号ＶＣ１を出力する。ＶＣＸＯ２３０は、第１増幅信号ＶＣ１に基づき出力する第１発振信号ＯＳ１の周波数を制御する。分周器２４０は、第１発振信号ＯＳ１を分周し第１検出信号ＳＤ１を出力する。
【００３１】
第２検出部３００は、第１乗算器である乗算器３５０と、第２ロックインアンプ３１０と、第２サーボ増幅器であるサーボ増幅器３２０と、第２電圧制御発振器であるＶＣＸＯ３３０と、第２分周器である分周器３４０と、から構成されている。第２ロックインアンプ３１０は、ＰＳＤ３１１と移相回路３１２とＬＰＦ３１３とから構成されている。
【００３２】
乗算器３５０は、共鳴信号ＲＳと第２検出信号ＳＤ２とを乗算した第１乗算信号ＭＳ１を出力する。第２ロックインアンプ３１０は、第１乗算信号ＭＳ１を測定信号として入力し、第１検出信号ＳＤ１を参照信号として入力し、第２直流周波数信号ＤＣ２を出力する。サーボ増幅器３２０は、第２直流周波数信号ＤＣ２を増幅し第２増幅信号ＶＣ２を出力する。ＶＣＸＯ３３０は、第２増幅信号ＶＣ２に基づき出力する標準周波数信号ＳＯの周波数を制御する。分周器３４０は、標準周波数信号ＳＯを分周し第２検出信号ＳＤ２を出力する。
【００３３】
駆動信号生成部４００は、第２乗算器である乗算器４１０と加算器４２０とから構成されている。乗算器４１０は、第１検出信号ＳＤ１と第２検出信号ＳＤ２とを乗算し第２乗算信号ＭＳ２を出力する。加算器４２０は、第２乗算信号ＭＳ２と第１検出信号ＳＤ１とを加算し駆動信号ＤＳを出力する。
【００３４】
＜量子周波数標準器の動作＞
次に、第１実施形態に係る量子周波数標準器の動作について、図３を参照して説明する。図３は、第１実施形態に係る量子周波数標準器の動作を示す波形図である。
【００３５】
図３に示すように、第１検出部２００から出力される第１検出信号ＳＤ１は、核磁気共鳴部１００が出力する共鳴信号ＲＳの低周波数側のピークの周波数ｆ１となり、第２検出部３００から出力される第２検出信号ＳＤ２は、スピン結合定数Ｊとなる。一例として1Ｈの場合、周波数ｆ１は４２．６ＭＨｚ／Ｔ、スピン結合定数Ｊは４５Ｈｚである。
【００３６】
第１検出信号ＳＤ１と第２検出信号ＳＤ２とを乗算器４１０で乗算した第２乗算信号ＭＳ２の周波数は、ｆ１−Ｊとｆ１＋Ｊになる。第２乗算信号ＭＳ２と第１検出信号ＳＤ１とを加算器４２０で加算した駆動信号ＤＳの周波数は、ｆ１−Ｊとｆ１とｆ１＋Ｊになる。核磁気共鳴部１００に駆動信号ＤＳを印加した結果、共鳴信号ＲＳの周波数はｆ１とｆ１＋Ｊになる。共鳴信号ＲＳを測定信号かつ第１検出信号ＳＤ１を参照信号として再び第１検出部２００に入力すると、第１検出信号ＳＤ１の周波数はｆ１となる。
【００３７】
一方、共鳴信号ＲＳと第２検出信号ＳＤ２とを乗算器３５０で乗算した第１乗算信号ＭＳ１の周波数は、ｆ１−Ｊとｆ１とｆ１＋Ｊとｆ１＋２Ｊになる。第１乗算信号ＭＳ１を測定信号かつ第１検出信号ＳＤ１を参照信号として再び第２検出部３００に入力すると、第２検出信号ＳＤ２の周波数はＪとなる。
【００３８】
以上に述べた本実施形態によれば、以下の効果が得られる。
【００３９】
本実施形態では、核磁気共鳴部１００から第１検出部２００及び第２検出部３００により核磁気共鳴周波数ｆ１とスピン結合定数Ｊを検出し、核磁気共鳴周波数ｆ１とスピン結合定数Ｊに基づき核磁気共鳴部１００を駆動するので、スピン結合定数Ｊに基づき出力される標準周波数信号ＳＯは比較的低い共鳴周波数となり、さらに加熱温度制御不要で低消費電力な量子周波数標準器１を実現できる。
【００４０】
（第２実施形態）
次に、量子周波数標準器の第２実施形態について説明する。第１実施形態においては、量子周波数標準器１は、第１ロックインアンプ２１０及び第２ロックインアンプ３１０をＰＳＤ２１１及びＰＳＤ３１１で構成するように説明したが、乗算器で構成するようにしてもよい。
【００４１】
図４は、第２実施形態に係る量子周波数標準器の構成を示す構成図である。図４に示すように、量子周波数標準器１０００は、核磁気共鳴部１００と、第１検出部１２００と、第２検出部１３００と、駆動信号生成部４００と、から構成されている。
【００４２】
第１検出部１２００は、第１実施形態の第１ロックインアンプ２１０の代わりに第１ロックインアンプ１２１０で構成されている。第１ロックインアンプ１２１０は、第３乗算器である乗算器１２１１と移相回路１２１２とＬＰＦ１２１３とから構成されている。
【００４３】
第２検出部１３００は、第１実施形態の第２ロックインアンプ３１０の代わりに第２ロックインアンプ１３１０で構成されている。第２ロックインアンプ１３１０は、乗算器１３１１と移相回路１３１２とＬＰＦ１３１３とから構成されている。さらに、第１実施形態の第２検出部３００にあった乗算器３５０が省略されている。第２検出部１３００は、乗算器３５０の機能を第１検出部１２００の乗算器１２１１で置き換えている。つまり、第２ロックインアンプ１３１０は、乗算器１２１１の出力信号ＳＤ３を測定信号かつ第２検出信号ＳＤ２を参照信号として入力し、第２直流周波数信号ＤＣ２を出力する。
【００４４】
次に、第２実施形態に係る量子周波数標準器の動作について、図５を参照して説明する。図５は、第２実施形態に係る量子周波数標準器の動作を示す波形図である。
【００４５】
図５に示すように、第１検出部１２００から出力される第１検出信号ＳＤ１は、核磁気共鳴部１００が出力する共鳴信号ＲＳの低周波数側のピークの周波数ｆ１となり、第２検出部１３００から出力される第２検出信号ＳＤ２は、スピン結合定数Ｊとなる。
【００４６】
第１検出信号ＳＤ１と第２検出信号ＳＤ２とを乗算器４１０で乗算した第２乗算信号ＭＳ２の周波数は、ｆ１−Ｊとｆ１＋Ｊになる。第２乗算信号ＭＳ２と第１検出信号ＳＤ１とを加算器４２０で加算した駆動信号ＤＳの周波数は、ｆ１−Ｊとｆ１とｆ１＋Ｊになる。核磁気共鳴部１００に駆動信号ＤＳを印加した結果、共鳴信号ＲＳの周波数はｆ１とｆ１＋Ｊになる。共鳴信号ＲＳと第１検出信号ＳＤ１を乗算器１２１１で乗算した出力信号ＳＤ３の周波数は、０とＪと２ｆ１と２ｆ１＋Ｊになる。
【００４７】
出力信号ＳＤ３を測定信号かつ第２検出信号ＳＤ２を参照信号として再び第２検出部１３００に入力すると、第２検出信号ＳＤ２の周波数はＪとなる。
【００４８】
以上に述べた本実施形態によれば、以下の効果が得られる。
【００４９】
本実施形態では、核磁気共鳴部１００から第１検出部１２００及び第２検出部１３００により核磁気共鳴周波数ｆ１とスピン結合定数Ｊを検出し、核磁気共鳴周波数ｆ１とスピン結合定数Ｊに基づき核磁気共鳴部１００を駆動するので、スピン結合定数Ｊに基づき出力される標準周波数信号ＳＯは比較的低い共鳴周波数となり、さらに加熱温度制御不要で低消費電力な量子周波数標準器１を実現できる。
【００５０】
（第３実施形態）
次に、量子周波数標準器の第３実施形態について説明する。図６は、第３実施形態に係る量子周波数標準器の構成を示す構成図である。図６に示すように、量子周波数標準器２０００は、核磁気共鳴部１００と、第１検出部２２００と、第２検出部２３００と、駆動信号生成部２４００と、から構成されている。
【００５１】
第１検出部２２００は、第１低周波数信号ＦＭ１を出力する第１発振器である変調用低周波発振器２２５０と、共鳴信号ＲＳを測定信号かつ第１低周波数信号ＦＭ１を参照信号として入力し第１直流周波数信号ＤＣ１を出力する第１ロックインアンプ２２１０と、第１直流周波数信号ＤＣ１を増幅し第１増幅信号ＶＣ１を出力する第１サーボ増幅器であるサーボ増幅器２２０と、出力する第１発振信号ＯＳ１の周波数を第１増幅信号ＶＣ１に基づき制御する第１電圧制御発振器であるＶＣＸＯ２３０と、第１発振信号ＯＳ１を分周し第１検出信号ＳＤ１を出力する第１分周器である分周器２４０と、から構成されている。
【００５２】
第２検出部２３００は、第２低周波数信号ＦＭ２を出力する第２発振器である変調用低周波発振器２３５０と、共鳴信号ＲＳを測定信号かつ第２低周波数信号ＦＭ２を参照信号として入力し第２直流周波数信号ＤＣ２を出力する第２ロックインアンプ２３１０と、第２直流周波数信号ＤＣ２を増幅し第２増幅信号ＶＣ２を出力する第２サーボ増幅器であるサーボ増幅器３２０と、出力する標準周波数信号ＳＯの周波数を第２増幅信号ＶＣ２に基づき制御する第２電圧制御発振器であるＶＣＸＯ３３０と、標準周波数信号ＳＯを分周し第２検出信号ＳＤ２を出力する第２分周器である分周器３４０と、から構成されている。
【００５３】
駆動信号生成部２４００は、第１検出信号ＳＤ１と第２検出信号ＳＤ２とを乗算した第２乗算信号ＭＳ２を出力する第２乗算器である乗算器２４１０と、第１検出信号ＳＤ１の周波数を第１低周波数信号ＦＭ１に基づき変調させた第１変調信号ＳＭ１を出力する第１周波数変調器２４３０と、第２乗算信号ＭＳ２の周波数を第２低周波数信号ＦＭ２に基づき変調させた第２変調信号ＳＭ２を出力する第２周波数変調器２４４０と、第１変調信号ＳＭ１と第２変調信号ＳＭ２とを加算し駆動信号ＤＳを出力する加算器２４２０と、から構成されている。
【００５４】
以上、量子周波数標準器の実施形態を説明したが、こうした実施の形態に何ら限定されるものではなく、趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることができる。以下、変形例を挙げて説明する。
【００５５】
（変形例１）量子周波数標準器の変形例１について説明する。上記第１実施形態〜第３実施形態で説明したいずれかの量子周波数標準器（１，１０００，２０００）が出力する標準周波数信号ＳＯに基づき時刻制御する時刻制御システムを提案する。この構成によれば、比較的低い共鳴周波数の標準周波数を得られ、さらに加熱温度制御不要で低消費電力な時刻制御システムを実現できる。
【符号の説明】
【００５６】
１…量子周波数標準器、１００…核磁気共鳴部、１１０…物質、１２０…容器、１３０…増幅器、１４０…配線、１５０…発振器、２００…第１検出部、２１０…第１ロックインアンプ、２１１…ＰＳＤ、２１２…移相回路、２２０…サーボ増幅器、２３０…ＶＣＸＯ、２４０…分周器、３００…第２検出部、３１０…第２ロックインアンプ、３１１…ＰＳＤ、３１２…移相回路、３１３…ＬＰＦ、３２０…サーボ増幅器、３３０…ＶＣＸＯ、３４０…分周器、３５０…乗算器、４００…駆動信号生成部、４１０…乗算器、４２０…加算器、１０００…量子周波数標準器、１２００…第１検出部、１２１０…第１ロックインアンプ、１２１１…乗算器、１２１２…移相回路、１２１３…ＬＰＦ、１３００…第２検出部、１３１０…第２ロックインアンプ、１３１１…乗算器、１３１２…移相回路、１３１３…ＬＰＦ、２０００…量子周波数標準器、２２００…第１検出部、２２１０…第１ロックインアンプ、２２５０…変調用低周波発振器、２３００…第２検出部、２３１０…第２ロックインアンプ、２３５０…変調用低周波発振器、２４００…駆動信号生成部、２４１０…乗算器、２４２０…加算器、２４３０…第１周波数変調器、２４４０…第２周波数変調器。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学結合している原子核間のスピン−スピン相互作用によって複数に分裂したエネルギー準位を有する物質を含む容器と、
前記容器に磁場を与える磁場発生源と、
前記容器に電磁波を照射する発振器と、
を含む核磁気共鳴部と、
前記核磁気共鳴部から出力される共鳴信号から前記複数に分裂したエネルギー準位のいずれか１つに対応する核磁気共鳴周波数ｆ１を検出し第１検出信号として出力する第１検出部と、
前記共鳴信号から隣り合う前記複数に分裂したエネルギー準位間のエネルギー差であるスピン結合定数Ｊを検出し第２検出信号として出力する第２検出部と、
前記第１検出信号と前記第２検出信号に基づき前記核磁気共鳴部を駆動する駆動信号を生成する駆動信号生成部と、
を含み、
前記第２検出部は、前記第２検出信号に基づき標準周波数信号を出力する、
ことを特徴とする量子周波数標準器。
【請求項２】
請求項１に記載の量子周波数標準器において、
前記第１検出部は、
前記共鳴信号を測定信号として入力し前記第１検出信号を参照信号として入力し第１直流周波数信号を出力する第１ロックインアンプと、
前記第１直流周波数信号を増幅し第１増幅信号を出力する第１サーボ増幅器と、
出力する第１発振信号の周波数を前記第１増幅信号に基づき制御する第１電圧制御発振器と、
前記第１発振信号を分周し前記第１検出信号を出力する第１分周器と、
を含み、
前記第２検出部は、
前記共鳴信号と前記第２検出信号とを乗算した第１乗算信号を出力する第１乗算器と、
前記第１乗算信号を測定信号として入力し前記第１検出信号を参照信号として入力し第２直流周波数信号を出力する第２ロックインアンプと、
前記第２直流周波数信号を増幅し第２増幅信号を出力する第２サーボ増幅器と、
出力する前記標準周波数信号の周波数を前記第２増幅信号に基づき制御する第２電圧制御発振器と、
前記標準周波数信号を分周し前記第２検出信号を出力する第２分周器と、
を含み、
前記駆動信号生成部は、
前記第１検出信号と前記第２検出信号とを乗算した第２乗算信号を出力する第２乗算器と、
前記第２乗算信号と前記第１検出信号とを加算し前記駆動信号を出力する加算器と、
を含む、
ことを特徴とする量子周波数標準器。
【請求項３】
請求項１に記載の量子周波数標準器において、
前記第１検出部は、
前記共鳴信号を測定信号として入力し前記第１検出信号を参照信号として入力し第１直流周波数信号を出力する第３乗算器を含む第１ロックインアンプと、
前記第１直流周波数信号を増幅し第１増幅信号を出力する第１サーボ増幅器と、
出力する第１発振信号の周波数を前記第１増幅信号に基づき制御する第１電圧制御発振器と、
前記第１発振信号を分周し前記第１検出信号を出力する第１分周器と、
を含み、
前記第２検出部は、
前記第３乗算器の出力信号を測定信号として入力し前記第２検出信号を参照信号として入力し第２直流周波数信号を出力する第２ロックインアンプと、
前記第２直流周波数信号を増幅し第２増幅信号を出力する第２サーボ増幅器と、
出力する前記標準周波数信号の周波数を前記第２増幅信号に基づき制御する第２電圧制御発振器と、
前記標準周波数信号を分周し前記第２検出信号を出力する第２分周器と、
を含み、
前記駆動信号生成部は、
前記第１検出信号と前記第２検出信号とを乗算した第２乗算信号を出力する第２乗算器と、
前記第２乗算信号と前記第１検出信号とを加算し前記駆動信号を出力する加算器と、
を含む、
ことを特徴とする量子周波数標準器。
【請求項４】
請求項１に記載の量子周波数標準器において、
前記第１検出部は、
第１低周波数信号を出力する第１発振器と、
前記共鳴信号を測定信号として入力し前記第１低周波数信号を参照信号として入力し第１直流周波数信号を出力する第１ロックインアンプと、
前記第１直流周波数信号を増幅し第１増幅信号を出力する第１サーボ増幅器と、
出力する第１発振信号の周波数を前記第１増幅信号に基づき制御する第１電圧制御発振器と、
前記第１発振信号を分周し前記第１検出信号を出力する第１分周器と、
を含み、
前記第２検出部は、
第２低周波数信号を出力する第２発振器と、
前記共鳴信号を測定信号として入力し前記第２低周波数信号を参照信号として入力し第２直流周波数信号を出力する第２ロックインアンプと、
前記第２直流周波数信号を増幅し第２増幅信号を出力する第２サーボ増幅器と、
出力する前記標準周波数信号の周波数を前記第２増幅信号に基づき制御する第２電圧制御発振器と、
前記標準周波数信号を分周し前記第２検出信号を出力する第２分周器と、
を含み、
前記駆動信号生成部は、
前記第１検出信号と前記第２検出信号とを乗算した第２乗算信号を出力する第２乗算器と、
前記第１検出信号の周波数を前記第１低周波数信号に基づき変調させた第１変調信号を出力する第１周波数変調器と、
前記第２検出信号の周波数を前記第２低周波数信号に基づき変調させた第２変調信号を出力する第２周波数変調器と、
前記第１変調信号と前記第２変調信号とを加算し前記駆動信号を出力する加算器と、
を含む、
ことを特徴とする量子周波数標準器。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載の量子周波数標準器において、前記物質は液体または気体であることを特徴とする量子周波数標準器。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項に記載の量子周波数標準器において、前記物質は1Ｈ、19Ｆ、31Ｐであることを特徴とする量子周波数標準器。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一項に記載の量子周波数標準器が出力する標準周波数信号に基づき時刻制御する時刻制御システム。
【請求項１】
化学結合している原子核間のスピン−スピン相互作用によって複数に分裂したエネルギー準位を有する物質を含む容器と、
前記容器に磁場を与える磁場発生源と、
前記容器に電磁波を照射する発振器と、
を含む核磁気共鳴部と、
前記核磁気共鳴部から出力される共鳴信号から前記複数に分裂したエネルギー準位のいずれか１つに対応する核磁気共鳴周波数ｆ１を検出し第１検出信号として出力する第１検出部と、
前記共鳴信号から隣り合う前記複数に分裂したエネルギー準位間のエネルギー差であるスピン結合定数Ｊを検出し第２検出信号として出力する第２検出部と、
前記第１検出信号と前記第２検出信号に基づき前記核磁気共鳴部を駆動する駆動信号を生成する駆動信号生成部と、
を含み、
前記第２検出部は、前記第２検出信号に基づき標準周波数信号を出力する、
ことを特徴とする量子周波数標準器。
【請求項２】
請求項１に記載の量子周波数標準器において、
前記第１検出部は、
前記共鳴信号を測定信号として入力し前記第１検出信号を参照信号として入力し第１直流周波数信号を出力する第１ロックインアンプと、
前記第１直流周波数信号を増幅し第１増幅信号を出力する第１サーボ増幅器と、
出力する第１発振信号の周波数を前記第１増幅信号に基づき制御する第１電圧制御発振器と、
前記第１発振信号を分周し前記第１検出信号を出力する第１分周器と、
を含み、
前記第２検出部は、
前記共鳴信号と前記第２検出信号とを乗算した第１乗算信号を出力する第１乗算器と、
前記第１乗算信号を測定信号として入力し前記第１検出信号を参照信号として入力し第２直流周波数信号を出力する第２ロックインアンプと、
前記第２直流周波数信号を増幅し第２増幅信号を出力する第２サーボ増幅器と、
出力する前記標準周波数信号の周波数を前記第２増幅信号に基づき制御する第２電圧制御発振器と、
前記標準周波数信号を分周し前記第２検出信号を出力する第２分周器と、
を含み、
前記駆動信号生成部は、
前記第１検出信号と前記第２検出信号とを乗算した第２乗算信号を出力する第２乗算器と、
前記第２乗算信号と前記第１検出信号とを加算し前記駆動信号を出力する加算器と、
を含む、
ことを特徴とする量子周波数標準器。
【請求項３】
請求項１に記載の量子周波数標準器において、
前記第１検出部は、
前記共鳴信号を測定信号として入力し前記第１検出信号を参照信号として入力し第１直流周波数信号を出力する第３乗算器を含む第１ロックインアンプと、
前記第１直流周波数信号を増幅し第１増幅信号を出力する第１サーボ増幅器と、
出力する第１発振信号の周波数を前記第１増幅信号に基づき制御する第１電圧制御発振器と、
前記第１発振信号を分周し前記第１検出信号を出力する第１分周器と、
を含み、
前記第２検出部は、
前記第３乗算器の出力信号を測定信号として入力し前記第２検出信号を参照信号として入力し第２直流周波数信号を出力する第２ロックインアンプと、
前記第２直流周波数信号を増幅し第２増幅信号を出力する第２サーボ増幅器と、
出力する前記標準周波数信号の周波数を前記第２増幅信号に基づき制御する第２電圧制御発振器と、
前記標準周波数信号を分周し前記第２検出信号を出力する第２分周器と、
を含み、
前記駆動信号生成部は、
前記第１検出信号と前記第２検出信号とを乗算した第２乗算信号を出力する第２乗算器と、
前記第２乗算信号と前記第１検出信号とを加算し前記駆動信号を出力する加算器と、
を含む、
ことを特徴とする量子周波数標準器。
【請求項４】
請求項１に記載の量子周波数標準器において、
前記第１検出部は、
第１低周波数信号を出力する第１発振器と、
前記共鳴信号を測定信号として入力し前記第１低周波数信号を参照信号として入力し第１直流周波数信号を出力する第１ロックインアンプと、
前記第１直流周波数信号を増幅し第１増幅信号を出力する第１サーボ増幅器と、
出力する第１発振信号の周波数を前記第１増幅信号に基づき制御する第１電圧制御発振器と、
前記第１発振信号を分周し前記第１検出信号を出力する第１分周器と、
を含み、
前記第２検出部は、
第２低周波数信号を出力する第２発振器と、
前記共鳴信号を測定信号として入力し前記第２低周波数信号を参照信号として入力し第２直流周波数信号を出力する第２ロックインアンプと、
前記第２直流周波数信号を増幅し第２増幅信号を出力する第２サーボ増幅器と、
出力する前記標準周波数信号の周波数を前記第２増幅信号に基づき制御する第２電圧制御発振器と、
前記標準周波数信号を分周し前記第２検出信号を出力する第２分周器と、
を含み、
前記駆動信号生成部は、
前記第１検出信号と前記第２検出信号とを乗算した第２乗算信号を出力する第２乗算器と、
前記第１検出信号の周波数を前記第１低周波数信号に基づき変調させた第１変調信号を出力する第１周波数変調器と、
前記第２検出信号の周波数を前記第２低周波数信号に基づき変調させた第２変調信号を出力する第２周波数変調器と、
前記第１変調信号と前記第２変調信号とを加算し前記駆動信号を出力する加算器と、
を含む、
ことを特徴とする量子周波数標準器。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載の量子周波数標準器において、前記物質は液体または気体であることを特徴とする量子周波数標準器。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項に記載の量子周波数標準器において、前記物質は1Ｈ、19Ｆ、31Ｐであることを特徴とする量子周波数標準器。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一項に記載の量子周波数標準器が出力する標準周波数信号に基づき時刻制御する時刻制御システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１０−２４５５８５（Ｐ２０１０−２４５５８５Ａ）
【公開日】平成２２年１０月２８日（２０１０．１０．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−８８６５５（Ｐ２００９−８８６５５）
【出願日】平成２１年４月１日（２００９．４．１）
【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２２年１０月２８日（２０１０．１０．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年４月１日（２００９．４．１）
【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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