JPH0734489B2 - 水素メーザ用空胴共振器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、水素メーザ（MASER）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（特開昭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共振器円筒50が熱膨張係数の小さい
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52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によつて押付けられ、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によつて皿ばね
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
す水素蓄積球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。この水素蓄積球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、この水素蓄積球12の誘電体体積によりシフトする。
例えば、水素蓄積球12の製作過程により個々に異なる
が、180mmφ、壁厚1mmの球形の水素蓄積球では、その誘
電率が変化されると共振周波数が約−（50±５）MHzシ
フトする。

水素蓄積球12の個々の誘電体体積によつて生じる共振周
波数のシフトは、空胴共振器で調整する。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
が調整される。同様に、第５図に示す空胴共振器では、
熱膨張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
の熱膨脹によつ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^-5deg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41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槽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、熱膨張係数の小さ
い石英ガラスで共振器円筒50が作られていることから、
空胴共振器にとつ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〜１×10^-3deg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つて共振器支持
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10^-13Ｗ
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３〜５×10⁴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
内側表面が鏡面研磨されている。また、第５図に示す共
振器円筒50が熱膨張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60μｍの厚さで被着され、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題］ 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桁も大きな熱膨張係数を有する
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１×10^-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。

熱膨張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
１×10^-3deg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
乱によつ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問題がある。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、皿ばねによつ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つ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、圧縮歪によつて結晶化が変
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300℃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
ータによつて温度制御され、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。

［課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ることによつて、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つて取付けられ、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手
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いることから、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つて共振空
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、調整がやり易く且つ、調整後振動等によつてずれ
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、共振器円筒61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によつて塞がれている。
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
ねじによつて皿ばね状の座金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5.1×10^-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つてその内外面
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62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
めねじを有するハウジング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がこのめねじを有
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
者がピン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,72Bが回転されることによつて共振
空胴のディメンションが調整され、その共振周波数が20
0KHz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74によつて第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との間のバックラシュが除かれ、両者が結合され
る。

第１図及び第２図に示すようにフランジ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
空ベーキング排気により約100℃に加熱冷却し、ベース8
1が矢印Ｉの方向に膨脹、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
胴共振器にその膨脹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、温度変化による影響を
少なくするために、円筒部61及び円板62,63が熱膨張係
数の小さい石英で作られていることから、熱膨張によつ
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つて発生す
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によつて吸収され
る。共振器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、つっぱ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との間に熱膨張
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76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
械的に堅牢一体化した構造となり、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、熱膨張係数が小さい（5.1×10^-7／
℃）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測定時間（τ）1000秒で２
×10^-15を満足するとともに、共振器の温度制御も１×1
0^-3deg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、共振器の温度制御の点では、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
１×10^-3deg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、水素メーザ用空胴共振器の温
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、VLBI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II-II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、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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森 謙二郎 東京都港区南麻布５丁目10番27号 アンリ ツ株式会社内 (56)参考文献 特開 昭62−287714（ＪＰ，Ａ)

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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. 【請求項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. 【請求項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。