技術 ルビジウム原子発振器

0001

本発明は、各種システムに於ける基準周波数の信号を発生するルビジウム原子発振器に関する。ルビジウム（Ｒｂ）原子発振器は、高精度の水晶発振器に比較して数１００倍程度の長期安定度を有するものであり、又セシウム（Ｃｓ）原子発振器に比較して長期安定度は劣るが、短期安定度は優れているものである。又セシウム原子発振器に比較して小型化が可能であると共に、寿命が長い利点がある。従って、各種の通信，放送，計測等のシステムの高精度基準信号発生器として広く採用されている。このようなルビジウム原子発振器を更に小型化すると共に動作の安定化を図ることが要望されている。

0002

図６は従来例の説明図であり、５１はルビジウムを用いた光マイクロ波共鳴器、５２は電圧制御水晶発振器、５３はスイープ回路、５４は共鳴信号検出回路、５５はアラーム発生回路、５６は共鳴周波数合成部、５７は前置増幅器、５８は基本波増幅器、５９は位相比較器、６０はローパスフィルタ（又は積分回路）、６１は切替回路（又は加算回路）である。

0003

電圧制御水晶発振器５２の出力信号は、例えば、５ＭＨｚ或いは１０ＭＨｚ等のシステム内で取扱いが容易な周波数に選定されている。この電圧制御水晶発振器５２の出力信号を共鳴周波数合成部５６に於いて逓倍，加算等の処理によってルビジウム（Ｒｂ）の共鳴周波数のマイクロ波信号に合成して、光マイクロ波共鳴器５１に加える。この光マイクロ波共鳴器５１からは、ルビジウムの共鳴周波数と、共鳴周波数合成部５６から加えたマイクロ波信号の周波数との差に対応した共鳴信号が出力され、前置増幅器５７により増幅されて共鳴信号検出回路５４と基本波増幅器５８とに加えられる。

0004

共鳴信号は、マイクロ波を位相変調した信号の基本波成分と２倍波成分とを含み、光マイクロ波共鳴器５１に印加したマイクロ波周波数がルビジウムの共鳴周波数と一致した時に、共鳴信号の基本波成分は最小となり、２倍波成分は最大となる。そこで、基本波増幅器５８により増幅した基本波成分を位相比較器５９により位相比較し、その検波出力信号をローパスフィルタ６０と切替回路６１とを介して電圧制御水晶発振器５２の制御電圧とし、電圧制御水晶発振器５２の発振周波数を、ルビジウムの共鳴周波数と所定の関係となるように制御して、電圧制御水晶発振器５２の発振周波数を安定化することができる。

0005

この電圧制御水晶発振器５２の構成を簡略化することにより経済化並びに小型化を図ったルビジウム原子発振器も提案されている。このような構成を簡略化した電圧制御水晶発振器５２を用いた場合、運用中に特性が劣化して何らかの原因により発振周波数が大きくずれることがある。それによって、共鳴周波数合成部５６から光マイクロ波共鳴器５１に加えるマイクロ波周波数がルビジウムの共鳴周波数に対して大きくずれて、光マイクロ波共鳴器５１から共鳴信号が出力されなくなる場合がある。

0006

このような問題を解決する為に、電圧制御水晶発振器５２の制御電圧をスイープするスイープ回路５３を設けている。又共鳴信号検出回路５４は、共鳴信号の２倍波成分を検出し、所定レベルを超えた時は、電圧制御水晶発振器５２の発振周波数が、ルビジウム（Ｒｂ）の共鳴周波数に対して所定の比率関係にロックされたと判定し、又所定レベル以下の時は、電圧制御水晶発振器５２の発振周波数が、ルビジウム（Ｒｂ）の共鳴周波数に対して大きくずれていると判定して、アラーム発生回路５５からアラーム信号を出力させ、その時に、共鳴信号検出回路５４により或いはアラーム発生回路５５からのアラーム信号によりスイープ回路５３を起動し、電圧制御水晶発振器５２の制御電圧をスイープする。

0007

この場合、切替回路６１をローパスフィルタ６０側からスイープ回路５３側に切替えて、スイープ回路５３のスイープ出力電圧を制御電圧とするか、又は切替回路６１を加算回路とし、スイープ回路５３を起動して発生させたスイープ電圧をローパスフィルタ６０を介した制御電圧に加算して、電圧制御水晶発振器５２の制御電圧をスイープすることもできる。このような制御電圧のスイープによって電圧制御水晶発振器５２の発振周波数を変化させ、共鳴信号が得られた時に電圧制御水晶発振器５２の制御電圧のスイープを停止し、電圧制御水晶発振器５２の発振周波数をルビジウム（Ｒｂ）の共鳴周波数に対して所定の比率関係にロックすることができる。

0008

前述のような従来例のルビジウム原子発振器に於いて、動作中に何らかの原因により共鳴信号検出回路５４で共鳴信号を検出できなくなった時、電圧制御水晶発振器５２の発振周波数は、その可変幅だけ振られ続けることになる。例えば、テレビジョン放送に於ける基準発振器として用いた場合に、放送中に前述のようなアラーム状態となって、スイープ回路５３による電圧制御水晶発振器５２の制御電圧がスイープされると、基準発振器としての出力周波数が可変幅内に変化することになり、受像画質の劣化が生じる欠点がある。又各種の通信ネットワークに於ける網同期系の基準発振器として用いた場合にも、アラーム状態となった時に電圧制御水晶発振器５２の制御電圧をスイープすると、基準周波数が可変幅内に繰り返し変化するから、同期外れ等の問題が生じる。本発明は、立上時に於ける発振周波数の引込みを容易にし、且つ運用中に於けるシステムへ与える影響を最小限に抑えることを目的とする。

0009

本発明のルビジウム原子発振器は、図１を参照して説明すると、ルビジウムを用いた光マイクロ波共鳴器１と、この光マイクロ波共鳴器１の共鳴周波数の信号位相に同期化するように制御電圧によって発振周波数が制御される電圧制御水晶発振器２と、この電圧制御水晶発振器２の制御電圧をスイープするスイープ回路３と、光マイクロ波共鳴器１の共鳴信号を検出する共鳴信号検出回路４とを備えたルビジウム原子発振器に於いて、共鳴信号検出回路４の検出信号を基に、立上時から電圧制御水晶発振器２の出力信号位相が光マイクロ波共鳴器１の共鳴周波数の信号位相に引込まれて安定化されるまでの間のみスイープ回路３の動作を可能とするスイープ制御回路５を設けたものである。なお、６は共鳴周波数合成部、７は周波数制御部、８は切替回路（又は加算回路）である。

0010

又スイープ制御回路５は、共鳴信号検出回路４の検出信号により積分を開始し、検出出力信号が得られない時に積分値をクリアする積分回路と、この積分回路の積分値が所定値となった時に、スイープ回路３の動作を停止させる為のラッチ回路とから構成することができる。

0011

又スイープ制御回路５は、共鳴信号検出回路４の検出出力信号によりクロック信号のカウントを行わせ、検出出力信号が得られない時にリセットするカウンタと、このカウンタのカウント値が所定値となった時に、スイープ回路３の動作を停止させる為のラッチ回路とから構成することができる。

0012

ルビジウム原子発振器の立上時には、光マイクロ波共鳴器１から共鳴信号が出力されないので、共鳴信号検出回路４は共鳴信号を検出できないことになる。そこで、共鳴信号検出回路４が共鳴信号を検出できない時に、スイープ制御回路５を介してスイープ回路３を起動し、且つ切替回路８をスイープ回路３側に切替えるように制御し、スイープ回路３の出力信号により電圧制御水晶発振器２の制御電圧をスイープする。

0013

それにより、電圧制御水晶発振器２の発振周波数が変化し、共鳴周波数合成部６からのマイクロ波周波数も変化し、その変化範囲内にルビジウムの共鳴周波数が存在すると、光マイクロ波共鳴器１から共鳴信号が出力される。又共鳴信号検出回路４はこの共鳴信号を検出すると、スイープ制御回路５を介してスイープ回路３の動作を停止し、且つ切替回路８を周波数制御部７側に切替えるように制御し、共鳴信号の基本波を検出して同期検波し、ローパスフィルタを介して制御電圧を出力する周波数制御部７によって電圧制御水晶発振器２を制御する。

0014

又スイープ制御回路５は、共鳴信号が出力されない場合でも、ルビジウム原子発振器の再立上げを行うまで、スイープ回路３の動作を停止させる。それによって、電圧制御水晶発振器２の発振周波数がずれた場合或いは何らかの原因により共鳴信号が検出できなくなった場合等に於いても、電圧制御水晶発振器２のスイープが行われないので、電圧制御水晶発振器２の発振周波数は、ルビジウムの共鳴周波数と所定の比率関係からずれたまま、或いはロックされた状態のままとなり、スイープによる可変範囲内の周波数の変化が繰り返し生じることがなく、システムを安定に維持することができる。

0015

又スイープ制御回路５を、積分回路とラッチ回路とにより構成した場合、積分回路は、共鳴信号検出回路４の検出出力信号により積分を開始し、検出出力信号が得られない時に積分値をクリアし、その積分値が所定値となった時に、ラッチ回路にスイープ回路３の動作の停止信号をラッチして、スイープ回路３の動作をルビジウム原子発振器を再立上げするまで停止する。

0016

又スイープ制御回路５を、カウンタとラッチ回路とにより構成した場合、カウンタは、共鳴信号検出回路４の検出信号によりクロック信号のカウントを開始し、検出出力信号が得られない時にリセットし、カウンタのカウント値が所定値となった時に、ラッチ回路にスイープ回路３の動作の停止信号をラッチして、スイープ回路３の動作をルビジウム原子発振器を再立上げするまで停止する。

0017

図２は本発明の第１の実施例の１１は光マイクロ波共鳴器、１２は電圧制御水晶発振器、１３はスイープ回路、１４は共鳴信号検出回路、１５はスイープ制御回路、１６は共鳴周波数合成部、１７は周波数制御部、１８は切替回路、１９はアラーム発生回路、２０は前置増幅器、２１は基本波増幅器、２２は位相比較器、２３はローパスフィルタ、２４はラッチ回路である。

0018

この実施例は、スイープ回路１３を有する従来例のルビジウム原子発振器に、スイープ回路１３の動作停止信号をラッチするラッチ回路２４を有するスイープ制御回路１５を設けた構成に相当するものである。ルビジウム原子発振器を立上げる時には、ラッチ回路２４は図示を省略した制御部によりイニシャルリセットされる。又切替回路１８はスイープ回路１３側に切替えられる。

0019

スイープ制御回路１５のラッチ回路２４に動作停止信号がラッチされていないことにより、スイープ回路１３は動作を開始し、且つ切替回路１８はスイープ回路１３側に切替えられる。従って、スイープ回路１３の出力信号は切替回路１８を介して電圧制御水晶発振器１２の制御電圧として加えられ、電圧制御水晶発振器１２の発振周波数は制御電圧の変化に従って変化する。それにより、共鳴周波数合成部１６から光マイクロ波共鳴器１１に加えるマイクロ波周波数もスイープされ、その可変範囲内にルビジウムの共鳴周波数が存在することにより、光マイクロ波共鳴器１１から共鳴信号が出力される。

0020

共鳴信号は、前述の従来例と同様に、マイクロ波を位相変調した信号の基本波成分と２倍波成分とを含むものとなり、光マイクロ波共鳴器１１に印加するマイクロ波周波数が、ルビジウムの共鳴周波数に一致した時に、基本波成分は最小となり、２倍波成分は最大となる。この共鳴信号は、前置増幅器２０により増幅され、周波数制御部１７の基本波増幅器２１と、２倍波成分を検出する共鳴信号検出回路１４とに加えられる。

0021

共鳴信号検出回路１４に於いて共鳴信号を検出すると、スイープ制御回路１５のラッチ回路２４に動作停止信号を加えてラッチさせ、そのラッチ出力信号によりスイープ回路１３の動作を停止させ、且つ切替回路１８を周波数制御部１７側に切替えるように制御する。それにより、周波数制御部１７による制御電圧が切替回路１８を介して電圧制御水晶発振器１２に加えられ、この電圧制御水晶発振器１２の発振周波数が、ルビジウムの共鳴周波数と所定の比率関係となるように自動制御されて安定化される。

0022

又共鳴信号検出回路１４の障害により共鳴信号を検出できない場合、或いは、電圧制御水晶発振器１２の発振周波数が周波数制御部１７の制御範囲を超えて変化し、共鳴信号が発生しなくなった場合、アラーム発生回路１９からアラーム信号が出力されるが、スイープ制御回路１５のラッチ回路２４に動作停止信号がラッチされているので、スイープ回路１３は動作しないことになる。

0023

従って、システム立上げに伴うルビジウム原子発振器の立上時には、自動的に電圧制御水晶発振器１２がルビジウムの共鳴周波数に対して所定の比率関係に引込まれることになり、又システム運用中に於いては、アラーム信号が出力される状態の場合でも、電圧制御水晶発振器１２のスイープ制御は行われないので、発振周波数が可変幅の範囲を繰り返し変化するようなことがなくなり、システムに対する擾乱を与えるようなこともなく、システムの安定化を図ることができる利点がある。なお、アラーム発生回路１９からアラーム信号が出力される状態の時は、経年変化による特性の劣化や故障発生等によるものであるから、各部を点検して再立上げを行うことにより、自動的に電圧制御水晶発振器１２の発振周波数を、ルビジウムの共鳴周波数に対して所定の比率関係に引込むことができる。

0024

図３は本発明の第２の実施例の説明図であり、図２と同一符号は同一部分を示し、３０は積分回路、３１は判定回路である。この実施例は、ノイズ等による誤動作を防止した場合を示す。例えば、ノイズを共鳴信号として共鳴信号検出回路１４により検出してスイープ回路１３の動作を停止すると、電圧制御水晶発振器１２をルビジウムの共鳴周波数に対して所定の比率関係で引込むことができなくなる。そこで、安定に共鳴信号を検出できる状態を積分回路３０と判定回路３１とにより識別できた時に、スイープ回路１３の動作を停止するものである。又切替回路１８は、ラッチ回路２４の出力信号によって制御される。

0025

図４は本発明の第２の実施例の動作説明図であり、（ａ）は共鳴信号検出回路１４の検出出力信号、（ｂ）は積分回路３０の出力信号、（ｃ）はラッチ回路の出力信号、（ｄ）はスイープ回路１３の出力信号の一例を示す。

0026

ルビジウム原子発振器の立上時に、ラッチ回路２４はイニシャルリセットされるから、スイープ回路１３は動作を開始し、又切替回路１８はスイープ回路１３側に切替えられる。従って、（ｄ）に示すスイープ回路１３の出力信号を切替回路１８を介して電圧制御水晶発振器１２の制御電圧として加えることになり、電圧制御水晶発振器１２の発振周波数は、制御電圧の変化に追従して変化し、共鳴周波数合成部１６から光マイクロ波共鳴器１１に加えられるマイクロ波周波数も変化し、ルビジウムの共鳴周波数に一致する時に、共鳴信号中の２倍波成分のレベルは大きくなる。

0027

共鳴信号検出回路１４は、共鳴信号中の２倍波成分のレベルの所定値以上を検出出力信号とするものであり、図４の（ａ）に示す検出出力信号が積分回路３０に加えられると、積分回路３０は、その検出出力信号の立上りで積分を開始し、立下りで積分値をクリアする。従って、積分回路３０の積分値は図４の（ｂ）に示すものとなる。判定回路３１は、積分値を判定値Ｖ１と比較し、この判定値Ｖ１を超えると、“１”の動作停止信号をラッチ回路２４に加えるから、（ｃ）に示す“１”のラッチ回路２４の出力信号によりスイープ回路１３の動作が停止され、且つ切替回路１８は周波数制御部１７側に切替えられる。

0028

従って、ノイズ等のパルス状の検出出力信号が出力されても、積分値は判定値Ｖ１を超えることにならないからスイープ動作は継続され、積分値が判定値Ｖ１を超えるような安定状態となると、スイープ動作を停止させることになる。そして、（ｃ）に示すラッチ回路２４の出力信号が“１”となってスイープ回路１３の動作が停止されると、積分値が判定値Ｖ１以下となっても、スイープ回路１３の動作は再開されないので、電圧制御水晶発振器１２は、周波数制御部１７からの制御電圧によって発振周波数が制御され、スイープ動作による発振周波数の変化は生じないことになる。

0029

図５は本発明の第３の実施例の説明図であり、図２及び図４と同一符号は同一部分を示し、４０はカウンタ、４１はクロック発生部である。この実施例は、スイープ制御回路１５を、ラッチ回路２４とカウンタ４０とクロック発生部４１とにより構成した場合を示し、クロック発生部４１からのクロック信号がカウンタ４０に加えられる。この場合のクロック発生部４１は、装置内の他のクロック発生部からのクロック信号を利用する構成とすることもできる。

0030

前述のように、ルビジウム原子発振器の立上時に、スイープ回路１３が動作して、電圧制御水晶発振器１２の制御電圧がスイープ回路１３の出力信号によってスイープされ、光マイクロ波共鳴器１１からの共鳴信号を共鳴信号検出回路１４により検出することになり、例えば、図４の（ａ）に示す検出信号が得られた場合、その検出信号の立上りでカウンタ４０はクロック信号のカウントを開始し、検出信号の立下りでカウント内容をリセットする。

0031

このカウンタ４０のカウント内容を判定値Ｖ１と同様な判定値と比較し、この判定値を超えた時、或いは判定値に相当するカウント内容となった時のキャリ信号により、動作停止信号を出力してラッチ回路２４に加えるものである。例えば、カウンタ４０のカウント内容は、図４の（ｂ）に示すように、共鳴信号検出回路１４の検出出力信号に対応して増加することになるが、ノイズ或いはこれに近い共鳴信号の検出出力信号の場合には、カウント内容は判定値を超えないので、スイープ回路１３の動作は継続される。

0032

カウンタ４０のカウント内容が判定値を超えて動作停止信号がラッチ回路２４に加えられると、ラッチ回路２４の出力信号によりスイープ回路１３は動作を停止し、且つ切替回路１８は周波数制御部１７側に切替えられる。そして、ルビジウム原子発振器の再立上げまで、ラッチ回路２４は動作停止信号をラッチするから、共鳴信号を検出できない状態の時でも、電圧制御水晶発振器１２のスイープ動作が行われないので、発振周波数のスイープ幅内に繰り返し変化して、システム内の安定度を劣化させることがなくなる。

0033

前述の各実施例は、スイープ回路１３と周波数制御部１７とを切替回路１８によって切替える構成の場合を示すが、本発明は前述の各実施例に限定されるものではなく、例えば、切替回路１８を加算回路とし、周波数制御部１７からの制御電圧に、スイープ回路１３の出力信号を加算して、電圧制御水晶発振器１２のスイープ時の制御電圧とすることも可能である。又スイープ制御回路１５は、ラッチ回路２４、又はラッチ回路２４と積分回路３０と判定回路３１、又はラッチ回路２４とカウンタ４０とクロック発生部４１とからなる場合を示すが、共鳴信号検出回路１４の検出機能に対応して、他のノイズ等による誤動作防止の論理構成を用いることも可能である。

0034

以上説明したように、本発明は、光マイクロ波共鳴器１と、この光マイクロ波共鳴器１の共鳴周波数に対して所定の比率関係に発振周波数が制御される電圧制御水晶発振器２と、スイープ回路３と、共鳴信号検出回路４と、スイープ制御回路５とを備えて、ルビジウム原子発振器の立上時に、スイープ回路３により電圧制御水晶発振器２の制御電圧をスイープし、電圧制御水晶発振器２の発振周波数が、ルビジウムの共鳴周波数に対して所定の比率関係に引込まれた時に、光マイクロ波共鳴器１から共鳴信号が出力され、その共鳴信号を共鳴信号検出回路４により検出して、ラッチ回路を含むスイープ制御回路５を介してスイープ回路３の動作を停止し、次の立上時までは、共鳴信号を検出できない状態の時でも、電圧制御水晶発振器２のスイープを行わないものである。

0035

それによって、ルビジウム原子発振器を基準発振器として運用中に、共鳴信号検出回路４の障害等により共鳴信号を検出できない場合や、電圧制御水晶発振器２の経年変化等による特性劣化によって発振周波数のロックが外れたような場合でも、電圧制御水晶発振器２の発振周波数を強制的にスイープすることがないから、システムの安定性等を阻害することがない利点がある。又共鳴信号を検出できないような状態の時にアラーム信号を出力させ、そのアラーム信号により再立上げを行わせることも可能である。

0036

又ラッチ回路と積分回路とを含むスイープ制御回路５又はラッチ回路とカウンタとを含むスイープ制御回路５としたことにより、電圧制御水晶発振器２の発振周波数がルビジウムの共鳴周波数に対して所定の比率関係に引込まれるまでスイープ回路１３の動作を、ノイズ等による誤動作によって停止させることがなくなるから、立上時の信頼性を向上することができる利点がある。

0037

図１本発明の原理説明図である。
図２本発明の第１の実施例の説明図である。
図３本発明の第２の実施例の説明図である。
図４本発明の第２の実施例の動作説明図である。
図５本発明の第３の実施例の説明図である。
図６従来例の説明図である。

0038

１光マイクロ波共鳴器
２電圧制御水晶発振器
３スイープ回路
４共鳴信号検出回路
５スイープ制御回路
６共鳴周波数合成部
７周波数制御部
８ 切替回路