JPH0274085A

JPH0274085A - 水素メーザ用空胴共振器

Info

Publication number: JPH0274085A
Application number: JP22592488A
Authority: JP
Inventors: Masanori Kobayashi; 正紀小林; Fujio Kamata; 釜田　冨士夫; Masao Uehara; 植原　正朗; Kenjiro Mori; 森　謙二郎
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 1988-09-09
Filing date: 1988-09-09
Publication date: 1990-03-14
Anticipated expiration: 2010-04-12
Also published as: JPH0734489B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】この発明は、水素メーザ（ＭＡ　Ｓ　Ｅ　Ｒ）周波数標
準器に係る。水素メーザの発振周波数は、空胴共振器の
共振周波数により引込まれる。したがって、高安定な水
素メーザの周波数を得るには、共振器は堅牢で、かつ高
精度の温度制御が必要である。この発明は、そのための
水素メーザ用空胴共振器の構造に関するものである。

［従来技術］水素メーザの発振原理及びその空胴共振器の重要性並び
に水素メーザ周波数標準器の特長及びその利用について
は、既に同一出願人の出願に係る発明「水素メーザ用共
振器（特開昭６０−１８３７８２号）」及び「水素メー
ザ用空胴共振器（特願昭６２−２２３６６７号）」に詳
細に記述されている。

これらの公報に開示されているように従来の水素メーザ
用空胴共振器の構造としては、第４及び第５図に示すタ
イプのものがある。

第４図に示す水素メーザ用空胴共振器では、共振空胴を
規定する共振器円筒４１の上部及び下部開口部に夫々共
振器上端板４２及び共振器下端板４３が設けられ、これ
らは、堅牢構造を有するようにアルミニューム又は銅で
作られている。また、第５図に示す水素メーザ用共振器
では、共振空胴を規定するノ（振器円筒５０が熱膨脹係
数の小さい材料、例えば、石英ガラスなどで作られ、こ
の共振器円筒５０の上部及び下部開口部に夫々アルミニ
ューム又は銅製の共振器上端板５１及び共振器下端板５
２が設けられ、共振器円筒５０の上部開口部には、共振
器上端板５１が皿ばね５４によって押付けられ、荷重が
わずかに変化しても皿ばねの変位が最小となる最適荷重
がねじ５５によって皿ばねに与えられている。また、第
４図及び第５図に示すように水素メーザ用空胴共振器内
には、第４図、第５図に示す水素蓄積味１２が配置され
、図示しない水素原子供給系から水素原子が供給されて
いる。この水素蓄積味１２は、石英製で作られ、フラス
コ形状を有し、その内面がテフロンコーティングされて
いる。空胴共振器の共振周波数は、この水素蓄積味１２
の誘電体体積によりシフトする。例えば、水素蓄積味１
２の製作過程により個々に異なるが、１８０關φ、壁厚
１■の球形の水素蓄積味では、その誘電率が変化される
と共振周波数が約−（５０±５）Ｍｌｌｚシフトする。

水素蓄積味１２の個々の誘電体体積によって生じる共振
周波数のシフトは、空胴共振器で３５１′！ｆ１する。

第４図に示す空胴共振器では、共振周波数を粗調するア
ルミニューム又は銅で作られた可動端板４４が設けられ
、この可動端板４４が移動されて共振空胴の高さが変化
され、共振周波数が＆Ｊ整される。同様に、第５図に示
す空胴共振器では、熱膨脹係数の小さい石英ガラスで作
られた共振器円筒５０に取付けられるアルミニューム又
は銅で作られた共振器上端板５１の外周縁部が切削され
て、共振空胴の高さが変化され、共振周波数が調整され
る。

また、空胴共振器の周囲温度が変化すると、空胴共振器
の熱膨張によって空胴共振器内の共振空胴のディメンシ
ョンが変化し、その共振周波数が変化することから、空
胴共振器は、発振中高い精度で一定温度に温度制御され
ることが要求されている。第４図に示す水素メーザ用空
胴共振器では、共振空胴を規定する共振器円筒４１、共
振器上端板４２及び共振器下端板４３が全てアルミニュ
ームで作られていることから、測定時間（τ−１０００
秒）に対して温度変化が　ΔＴ〜１×１０’ｄｅｇの範
囲に留められるような高い精度で空胴共振器が温度制御
されることが要求される。

このような要求に対して、温度制御ヒータが上部温度制
御ヒータ４６、下部温度制御ヒータ４７のように２〜３
に区分され、これらがアルミニューム製の共振器円筒４
１に直接巻回されるとともに、その各温度ヒータが独立
に温度制御されて共振器円筒４１が一定温度に維持され
ている。この空胴共振器では、アルミニュームの熱容量
で短時間の温度変化を抑制することができる。また、こ
の空胴共振器では、空胴共振器自体への熱の流出入を出
来るだけ少なくするようにメーザ出力ケーブル１３とし
て細い同軸ラインが用いられ、熱絶縁材で空胴共振器が
支持され、更に、空胴共振器が熱シールド箱内に配置さ
れ、この熱シールド箱が恒温め内に設置されている。こ
のようにして、空胴共振器の熱変動が十分に小さく留め
られ、熱変動による共振空胴のディメンションの変動が
防止されている。

第５図に示す空胴共振器においては、熱膨脹係数の小さ
い石英ガラスで共振器円筒５０が作られていることから
、空胴共振器にとって要求される温度制御に関する精度
は、第４図に示した空胴共振器に比べて低くとも良く、
変化温度範囲ΔＴ〜Ｉ　Ｘ　１０−’ｄｅｇで温度が制
御されれば良い。この空胴共振器では、石英ガラスで作
られた共振器円筒５０に直接ヒータが巻回されず、共振
器円筒５０を支持するアルミニューム又は銅で作られた
共振器支持箱５３に上部温度制御ヒータ５６及び下部温
度制御ヒータ５７が巻回され、これが温度制御されるこ
とによって共振器支持箱５３内の共振器円筒５０が温度
制御される。

水素メーザ用空胴共振器では、その発振電力は１Ｏ−１
３Ｗと微弱であり、共振器のＱ値が低くなると、メーザ
発振が生じない慮れがある。一般に、要求される周波数
安定度を得るための共振器の負荷Ｑ値は、約３〜５Ｘ１
０４である。このＱ値を得るため第４図に示すアルミニ
ュームで作られた水素メーザ用空胴共振器では、その共
振器の内側表面が鏡面研出されている。また、第５図に
示す共振器円筒５０が熱膨脹係数の小さい石英ガラスで
作られた共振器では、その共振器円筒５０の内側表面は
、銀ペーストが略６０μ■の厚さで被むされ、銀ペース
ト層の表面が鏡面研摩されている。

［発明が解決しようとする課Ｓ！ｉ］第４図に示すアルミニュームで作られた水素メーザ用空
胴共振器は、堅牢構造で運搬時に与えられる振動等の外
乱に対して機械的な寸法変化が少ないことから剛性の点
では理想的構造を有している。然しながら、空胴共振器
が石英ガラスに比べ約２桁も大きな熱膨脹係数を有する
アルミニュームで作られていることから、要求される周
波数安定度を得るためには、既に述べたように空胴共振
器が約Ｉ　Ｘ　１　ｏ−５ｄｅｇの高い精度で温度制御
することが必要とされる。その結果、水素メーザ用空胴
共振器の構造及び温度制御器等の温度に対する補償設計
が大きな困難さを伴い、また、設計の仕様通りに製造す
ることも困難さを伴う問題がある。

熱膨脹係数の小さい石英ガラスで作られた共振器円筒を
備える、第５図に示す水素メーザ用空胴共振器では、要
求される周波数安定度を得るためには、空胴共振器を約
１　ｘ　１００−３ｄｅの精度で温度制御すれば良く、
その温度制御の精度がアルミニュームで作られた水素メ
ーザ用空胴共振器に比べ低く、従って、その水素メーザ
用空胴共振器の構造及び温度制御器等の温度に対する補
償設計がアルミニュームで作られた水素メーザ用空胴共
振器に比べより容易である利点を有する。然しながら、
振動等の外乱によって生じる機械的な寸法の変化は、皿
ばねを利用しても許容誤差の範囲に留めることが困難で
、要求される精度に維持することが難しいｆｆ４ｊ　ａ
がある。例えば、移動した後、或いは、地震が生じた後
等に共振空胴に機械的な寸法が変化して共振周波数がジ
ャンプしてしまう問題がある。更に、皿ばねによって共
振器円筒全体に圧縮力を常に加えているので、共振器円
筒には圧縮歪が生じている。したがって、皿ばねの圧力
が変動すれば、円筒部の長さは微少であっても変化して
周波数の安定を悪化させる。また、石英より更に熱膨脹
係数の小さな結晶化ガラスを使用した場合には、圧縮歪
みによって結晶化が変化してドリフトを生ずる恐れがあ
る。また、第５図に示す水素メーザ用空洞胴共振器にお
いて高いＱ値を得るには、その石英ガラス製の共振器円
筒内に厚く導電塗料が塗され、高い温度、例えば、約３
００℃で焼成されることが必要とされる。

第４図に示す水素メーザ用空胴共振器では、アルミニュ
ーム或いは、銅製の可動端板４４が移動されて共振周波
数が粗調整され、第５図に示す水素メーザ用空胴共振器
では、アルミニューム製の共振器上端板５１の外縁下部
が切削されて共振周波数が粗調整されるが、銅或いは、
アルミニュームが熱膨張されて共振周波数が変化する問
題がある。

更に、第５図に示す水素メーザ用空胴共振器では、共振
器円筒５０の温度が直接制御されず、共振器支持箱５３
がヒータによって温度制御され、共振器円筒５０は間接
的に温度制御されることから、温度制御に関するレスポ
ンスが悪く、制御精度を高めることができない問題があ
る。

Ｃ３題を解決するための手段］この発明は、十分な剛性を有し、組立て中及び動作中に
おいて熱的変形が生じ難く、温度制御が容易な水素メー
ザ用空胴共振器を提供するにある。

この発明によれば、熱膨脹係数が小さい非磁性体の材料
で形成され、両端部にフランジを有し、且つ、内壁表面
が導電性を有する筒状体と、該筒状体と実質的に同一の
熱膨脹係数を有する非磁性体の何科で形成され、該筒状
体とともに空胴共振器を構成するごとく該フランジに取
り付け可能で該空胴共振器の内壁表面が導電性を有する
１個または２個の蓋体と、非磁性体のばね座金と、該ば
ね座金をして該フランジに該蓋体を押圧するように付勢
しながら該蓋体を該フランジに締め付けるための非磁性
体で成る複数のねじとを備えることによって、筒状体の
円筒部に内部応力を生じさせることなしに蓋体と筒状体
を強固に締付けて、共振用周波数の安定化をはかり、ド
リフトを防止した水素メーザ用空胴共振器が提供できる
。

この発明の水素メーザ用空胴共振器では、前記蓋体は、
その中央部に共振周波数組ｉＡ整部を有し、該粗調整部
は、円筒状を呈し、内面に雌ねじを備えた非磁性体のハ
ウジングと、該ハウジングの雌ねじに螺合する雄ねじを
備え、前記空胴共振器内方向に微動可能とされた非磁性
体ねじ付きポストと、それぞれ非磁性体で形成されたば
ね部材と押付け部材とから成り、該ねじ付きポストを微
動させる際のバックラッシュを防止する機構を備えてい
る。又、この発明においては、空胴共振器が所望の基板
上に複数個の取付柱によって取付けられ、該取付柱は、
該基板に固定された座部と、該座部から立ち上がる断面
が長方形の柱状部と、該柱状部に一体的に形成され、前
記空胴共振器のフランジ又は、蓋体に固定される接合部
とから成り、該複数の取付柱は、該断面の長方形の長平
方向と垂直な方向が空胴共振の筒状体の中心に向かうよ
うに放射状に配置される。

［作用］この発明の水素メーザ空胴共振器においては、筒体及び
蓋体の導電性を有する内壁が共振空胴を規定し、これら
が熱膨脹の小さな非磁性材料で作られていることから、
温度変化に対して共振空胴のディメンションの変化が小
さい。しかもこの筒体及び蓋体がばね座金を用いてねじ
で締付け固定されて諭ることから、空胴共振器が製造時
に膨脹及び収縮を受けても破壊されることが防止され、
共振空胴が設計時のディメンションを維持することとな
る。筒体及び蓋体が熱膨脹の小さな材料で作られている
ことから、空胴共振器の温度制御に関する許容制御範囲
を比較的大きくすることが可能であり、温度制御装置の
設計が容易となる。

また、共振周波数粗調整部を備えることによって共振空
胴に所定の共振周波数を与えることができ、しかもこの
粗調整部がバックラッシュを防止する機構を有すること
から１．Ｍ整がやり易く且つ、：Ａ愁後振動等によって
ずれることがない。

更に、空胴共振器が放射状に配置された柱状部で支持さ
れていることから、この柱状部が設けられた基板が製造
時の真空ベーキング排気により膨脹及び収縮を受けても
、その膨脹及び収縮が放射状に配置された柱状部で吸収
され、空胴共振器に伝達されることが防止される。

［実施例の説明］第１図は、この発明に係る水素メーザ用空胴共振器の一
実施例を示している。第１図に示される空胴共振器では
、共振器内ｇＪ６１の両開口にフランジ６１Ａ、６１Ｂ
が形成され、この開口部は、円板６２．６３によって塞
がれている。フランジ６１Ａ、６１Ｂ及びこれに対応す
る円板６２゜６３の周縁部には、複数箇所に締付用の孔
が形成され、この孔にりん青銅ねじ６５が皿ばね状の座
金６４を介して挿入されている。フランジ６１Ａ。

６１Ｂ及び円板６２．６３には、りん青銅製のねじによ
って皿ばね状の座金６４から適当な締付け力が与えられ
て両者が確実に固定されている。共振器円筒６１及び円
板６２．６３は、例えば、アルミニュームよりも２桁近
く小さな５．ｌＸ　１０−７／℃の熱膨脹係数を有する
工業用石英で作られている。空胴共振器を形成する共振
器円筒６１及び円板６２．６３の内面及び外面は、銀ペ
ーストが塗布され、これらが焼付け処理されることによ
ってその内外面に容易に剥離しない銀膜６６が形成され
ている。

共振器円筒６１の外面には、ヒータ線６８が直接巻回さ
れ、公知の温度制御装置７０からヒータ電流が供給され
、共振器円筒６１が一定温度に維持されている。円板６
２の中央領域には、ハウジング孔が設けられ、このハウ
ジング孔にめねじを何するハウジング７５が取付けられ
、共振周波数を粗、調整するためのねじ付きポスト７２
がこのめねじをＨするハウジング７５に取付けられてい
る。

このねじ付きポスト７２は、その間に板ばね即ち、皿ば
ね７３を介装し、両者がビン７４で一体的に回転可能に
連結された第１及び第２のポスト用ねじ７２Ａ、７２Ｂ
から成り、その第１及び第２のポスト用ねじ７２Ａ、７
２Ｂが回転されることによって共振空胴のディメンショ
ンが調整され、その共振周波数が２００　ｋｌｌｚの範
囲で粗調整される。

第１図に示すねじ付きポスト７２においては、板ばね７
４によって第１及び第２のポスト用ねじ７２Ａ、７２Ｂ
が互いに反対方向に付勢されていることから、ポスト用
ねじ７２Ａ、７２Ｂとめねじを有するハウジング７５と
の間のバラクラシュが除かれ、両者が結合される。

第１図及び第２図に示すように７ランジ６１Ｂ及び円板
６３の締付孔に挿入されたねじ６５は、金属製のベース
８１に固定された第３図に示すような取付柱７６の頭部
にねじ込まれている。この取付柱７６は、第２図に示す
ように金属製のベース８１の中心に関して対称に配置さ
れている。従って、このベース８１上に空胴共振器が組
立てられたまま真空べ〜キング排気により約１００℃に
加熱冷却し、ベース８１が矢印Ｉの方向に膨張、または
収縮しても、これらの板ばね状の取付柱７６がたわみ変
形して取り付けられた空胴共振器にその膨脂収縮力が伝
達されず、空胴共振器が変形されることが防止される。

上述した空胴共振器においては、温度液化による影響を
少なくするために、円筒部６１及び円板６２．６３が熱
膨脹係数の小さい石英で作られていることから、熱膨張
によって共振空胴のディメンションが変化することが防
止され、共振周波数の安定化を図ることができる。また
、これらの内外表面が粗面仕上げされていることから、
この面に形成された銀膜が剥離せずに確実に形成される
。

また、円筒部６１及び円板６２．６３は、同一材質で作
られていることから、真空ベーキング排気の加熱によっ
て発生する接合部のすべりが防止され、共振周波数の安
定化が図られる。円板６２゜６３が円筒部６１のフラン
ジ６１Ａ、６１Ｂに複数のねじ６５でばね座金を介して
強固に締付けられている。従って、空胴共振器は、外部
振動、衝撃に対して、堅牢な構造に形成される。ばね座
金として皿ばね６４が使用されていることから、りん青
銅製のねじの熱膨張による、締付力の変化即ち、ゆるみ
が皿ばね６４によって吸収される。共振周波数を粗調整
する機構７２では、細目ねじ座に嵌合して、バックラッ
シュ及び振動によるゆるみを防止するために、２つのポ
スト用ねじ７２Ａ。

７２Ｂの間に板ばねが設けられ、つっばりねじ構造に形
成されていることから、粗調用ポスト７２Ｃによる共振
周波数の粗調が容易であり、かつ振動衝撃に対して移動
しない構造に形成されている。共振器の支持用として、
支持部を板ばね状にした取付柱７６が採用されているこ
とから、真空ベーキング排気時に加熱冷却されても石英
製の共振器と取付柱７６を固定するアルミニューム製の
ベース８１との間に熱膨脹係数の差によって歪がベース
８１の中心から放射状に生じるが、この歪は、取付柱７
６の可撓性で吸収される。また、外部からの振動衝撃に
対しては、横方向に対して、４本の取付柱７６の内２本
の取付柱が板厚の厚い方向に力を受けることから、空胴
共振器がこれらに強固に固定されることとなる。また回
転方向に対する振動衝撃には、４本の取付柱が板厚の厚
い方向に力を受け、同様に空胴共振器がこれらに強固に
固定されることとなる。

以上のようにして構成された空胴共振器では、共振器円
筒の両端板をねじで固定することができ、これにより機
械的に堅牢一体止した構造となり、共振器の共振周波数
の機械的歪みによる変動を押えることができる。しかも
、空胴共振器は、熱膨脹係数が小さい（５，Ｉ　Ｘ　１
０−７／”Ｃ）ことから、空胴共振器の共振周波数の温
度による変動を小さく抑制することができ、共振器の変
動は、水素メーザの必要周波数安定度がΔＰ１定時間（
τ）　１０００秒で２Ｘ１０−”を満足するとともとに
、共振器の温度制御もＩ　Ｘ　１０’ｄｅｇで水素メー
ザの周波数安定度を得ることが可能となる。また、共振
器の１ａ度制御の点では、共振器円筒の内面と外面の銀
膜（金属膜）は熱の伝導を助け、別に設けた温度制御ヒ
ータの作用と併せて、空胴共振器を高い精度に温度制御
することができる。

〔発明の効果〕

この発明に係る水素メーザ用空胴共振器によれば、石英
により共振器本体が作られ、フランジ締付構造にして、
その内外面に銀ペーストを焼き付けた構造としたから、
運搬、振動などによる共振周波数のジャンプを確実に防
止でき、高安定な水素メーザ用空胴共振器を提供できる
。また、この水素メーザ用空胴共振器の必要温度制御精
度は、熱膨脹係数が小さい石英を使用したことから約Ｉ
ｌＸｌ０−３ｄｃと金属製の共振器に比して２桁も低く
てよい利点がある。このため、水素メーザ用空胴バ振器
の温度制御が容易となり、運用中温度センサーのエイジ
ングに伴う設定温度のドリフトや水素メーザの設置場所
の温度環境の問題が軽減される。

以上、述べたように本発明に係る水素メーザ用空胴共振
器は、従来の各種水素メーザ用空胴共振器の長所をすべ
て備える上に、従来技術のもつ欠点を除いて性能を向上
させた最高の安定度をもつ共振器である。すなわち、温
度制御が容易で、かつ、堅牢構造をもち、ＶＬＢ　Ｉや
深宇宙人工衛星追跡などの電波の位相差を用いた超精密
測定技術用として最高性能を要求される水素メーザの周
波数安定度に対し充分満足できる超安定共振器を提供で
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の一実施例に係る水素メーザ用空胴
共振器の構造を概略的に示す断面図、第２図は、第１図
の■−■線断面図、第３図は、第１図及び第２図に示さ
れる取付柱の構造を概略的に示す断面図、及び第４図及
び第５図は、従来の水素メーザ用空胴共振器の構造を概
略的に示す断面図、６１・・・共振円筒、６２．６３・・・円盤、６１Ａ。６１Ｂ・・・フランジ、６２．６３・・・円盤、６４・
・・座金、６５・・・ねじ、７６・・・取付柱、７７・
・・水素蓄積球、８１・・・ベース第２図出願人代理人　弁理士　鈴江武彦第３図第図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）熱膨脹係数が小さい非磁性体の材料で形成され、
両端部にフランジを有し、且つ、内壁表面が導電性を有
する筒状体と、該筒状体と実質的に同一の熱膨脹係数を有する非磁性体
の材料で形成され、該筒状体とともに空胴共振器を構成
するごとく該フランジに取り付け可能で該空胴共振器の
内壁表面が導電性を有する１個または２個の蓋体と、非磁性体のばね座金と、該ばね座金をして該フランジに該蓋体を押圧するように
付勢しながら該蓋体を該フランジに締め付けるための非
磁性体で成る複数のねじと、を備えた水素メーザ用空胴
共振器。
（２）前記蓋体は、その中央部に共振周波数粗調整部を
有し、該粗調整部は、円筒状を呈し、内面に雌ねじを備えた非磁性体のハウジングと、該ハウ
ジングの雌ねじに螺合する雄ねじを備え、前記空胴共振
器内方向に微動可能とされた非磁性体のねじ付きポスト
と、それぞれ非磁性体で形成されたばね部材と押付け部材と
から成り、該ねじ付きポストを微動させる際のバックラ
ッシュを防止する機構を備えた特許請求の範囲第１項記
載の水素メーザ用空胴共振器。
（３）所望の基板上に複数個の取付柱によつて取付けら
れた空胴共振器であつて、該取付柱は、該基板に固定された底部と、該底部から立ち上がる断面が長方形の柱状部と、該柱状
部に一体的に形成され、前記空胴共振器のフランジまた
は、蓋体に固定される接合部とから成り、該複数の取付
柱は、該断面の長方形の長手方向と垂直な方向が空胴共
振の筒状体の中心部に向かうように放射状に配置されて
いる特許請求の範囲第１項又は、第２項に記載の水素メ
ーザ用空胴共振器。