原子時計をスマートフォンに搭載できるくらいの超小型システムへ ~圧電薄膜の機械振動を利用~
国立研究開発法人情報通信研究機構(NICT)
国立大学法人東北大学
国立大学法人東京工業大学
原子時計をスマートフォンに搭載できるくらいの超小型システムへ
~圧電薄膜の機械振動を利用し、チップ化に向けて大きく前進~
【ポイント】
■ 圧電薄膜の機械振動を利用したシンプルな超小型原子時計システムを提案
■ チップ面積を約30%減、消費電力を約50%減、周波数の安定度も1桁以上の改善を実現
■ GPS衛星レベルの超高精度周波数源を、スマートフォンなどの汎用通信端末へ
国立研究開発法人情報通信研究機構(NICT、理事長: 徳田 英幸)電磁波研究所 原 基揚主任研究員等は、国立大学法人東北大学(東北大、総長: 里見 進)大学院工学研究科 機械機能創成専攻 小野崇人教授、国立大学法人東京工業大学(東工大、学長: 三島 良直)科学技術創成研究院 未来産業技術研究所 伊藤浩之准教授と共同で、従来の複雑な周波数逓倍処理を必要としないシンプルな小型原子時計システムの開発に成功しました。
本研究では、圧電薄膜の厚み縦振動を利用し、原子時計の小型化に適したマイクロ波発振器を提案しています。薄膜の厚み縦振動は、高い周波数で機械共振を得ることが容易であり、GHz(ギガヘルツ)帯にある原子共鳴の周波数に対して、そのまま同調動作できます。そのため、今まで必要だった水晶発振器や周波数逓倍回路を完全に省略することができ、大幅な小型・低消費電力化が実現されます。さらに、本システムでは、半導体加工技術を応用し、小型化と量産性に優れる小型のルビジウムガスセルを独自に開発、動作パラメータを最適化することで、周波数の安定性を格段に改善しました。
本技術が実用化されれば、これまで人工衛星や基地局に限定的に搭載されていた周波数・時刻標準である原子時計を、スマートフォンなどの汎用の通信端末に搭載することも夢ではありません。
【背景】
高精度で均質な同期網の構築には、NICTが生成する日本標準時にも採用されている原子時計の高精度化はもちろんのこと、この原子時計を搭載した通信ノードを拡充していくことも重要です。携帯端末を含む全ての通信ノードへの原子時計の搭載が理想的ですが、原子時計は大きさ、重さ、消費電力において可搬性に乏しいため、GPS衛星や無線基地局など、ごく一部への搭載に限定されています。欧米では、原子時計の小型化の研究も行われているものの、スマートフォンなどの端末に搭載するには、数cm角大とまだ巨大です。
原子時計は、ルビジウムなどのアルカリ金属元素のエネルギー準位差から得られる共鳴現象に、外部のマイクロ波発振器を同調させるように制御することで、安定な周波数を外部に提供します。マイクロ波発振は、低周波の水晶発振器を基に、周波数逓倍処理を行って得るのが一般的ですが、この方式を原子時計に採用すると、ボード面積と消費電力の大部分をマイクロ波発振器に費やすことになります。
【今回の成果】
今回、我々のチームは、原子時計の小型化に向け、GHz帯で良好な共振が得られる圧電薄膜の厚み縦振動に着目しました。この振動を利用することで、水晶発振器と周波数逓倍回路を必要としないシンプルなマイクロ波発振器の開発に成功しました(図1、2参照)。これにより、原子時計システムの大幅な小型化と低消費電力化が実現され、市販の小型原子時計と比較した場合、チップ面積を約30%、消費電力を約50%抑制することが可能になります。
また、アルカリ金属元素から共鳴を取得する場合、アルカリ金属は気体状態にあることが必要となり、窓の付いたケースに封じ込めて、レーザによる観察を行う必要があります。従来はガラス管を利用しましたが、これでは、小型化と量産性に課題があります。そこで、我々は、ウェハープロセスで製造可能な小型のルビジウムガスセルを独自に開発しました。この小型ガスセルを、先のマイクロ波発振器と組み合わせて同調動作(原子時計動作)させると、1秒間で10の-11乗台の周波数安定度が得られました。これは、市販の小型原子時計と比較して1桁以上の性能改善となり、優れた安定性を示しているといえます。
本成果の実用化は、原子時計システムを大幅に小型・低消費電力化し、今まで人工衛星や限られた通信基地局にのみ搭載されていた原子時計を、スマートフォンなどの汎用通信端末に搭載することを可能にします。これは、単なる通信端末の利便性向上に寄与するだけでなく、高い同期精度が求められるセンサ・ネットワークからの情報取得や、GPS電波が安定しない厳しい環境でのロボット制御(屋内ドローンや潜水システム)にも適しており、新たな市場の創出が期待されます。
【今後の展望】
マイクロ波発振回路の簡略化による今回の成果を踏まえ、今後は、ディジタル制御系の簡略・省略化に着手し、更なる低消費電力化を、2019年を目途に実施します。また、高密度実装に適した光学系を有するガスセルの開発も同年を目途に進める予定です。我々は、このような原子時計のチップ化に向けた取組を加速していき、早期のサンプル提案を目指しています。
また、本報告の内容は、世界最大のマイクロエレクトロメカニカルシステム(MEMS)に関する国際学会「The 31st IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems(MEMS 2018)」(2018年1月21日(日)~25日(木)、英国ベルファスト)にて発表されます。
【日本ハム】首位決戦でV打の清宮幸太郎「最高の景色」首位陥落の前日は最後の打者も爆睡で充電
木下優樹菜、美貌とスタイルは健在!伊豆下田の海で魅せた娘とのビキニ姿が話題
【西武】浜屋将太が支配下復帰 昨オフ育成契約も今季は自己最速更新150キロ、2軍戦でも好投
横浜対リバプール戦入場者数は6万7032人 Jリーグ主催試合の最多入場者記録を更新
【DeNA】バウアー、村上宗隆を2打数無安打「彼が戻ってきてすごくうれしかった」/対戦詳細
Niki、PEACH JOHN新モデルに!「AIじゃ無くて実在してますか」とファン騒然!
JR東日本、首都圏5線区の運転を順次再開
オードリー若林結婚で嫁の名前がソッコーで特定する動き始まる
波瑠と川栄李奈が禁断の“母親なりすまし” 10月スタートTBS「フェイクマミー」でダブル主演
無印良品から新登場!3機能を叶える発酵導入パッドで手軽ケア
倉田真由美氏「下劣すぎる」三上悠亜巡るウエディングドレス騒動に「職業差別、したとしても」
オードリー若林結婚で嫁の名前がソッコーで特定する動き始まる
7回結婚の60歳林下清志氏、子供の人数聞かれ“驚きの回答”「最初の嫁だけで…」
気象庁が津波注意報 太平洋側沿岸部中心に最大1メートル予測
煉獄コロアキこと杉田一明氏「明日逮捕されます」予告も、怒りにじませ「不当逮捕だろ。カスが」
「とにかく大きな海溝型地震」 東大地震研の篠原教授が分析
二階堂ふみが結婚!?お相手が衝撃的過ぎてネット民「マジか・・・」
不倫報道いけちゃん、謝罪動画アップ2時間後にコメント5000件超、活動は継続/謝罪全文
71歳俳優、故・仲本工事さん妻めぐる週刊誌報道「捏造記事だとしたらあまりにも酷い!」
中川杏奈「自分史上最高バスト」紅白の紐ビキニ公開「元グラドルが選ぶ過去最高に盛れる水着」
二階堂ふみが結婚!?お相手が衝撃的過ぎてネット民「マジか・・・」
平子理沙、すっぴん自撮りに疑問の声が続出「加工フィルター使ってる」
【ネタバレ?】史実で見るキングダムの今後の展開まとめ〜中華統一までの全体像
再婚した旦那に不倫されてしまった飯島直子(51)衝撃的過ぎる黒歴史が発覚する事態に
ガーシー、みちょぱ反論に対抗で大倉士門の再暴露を投下「士門クズ過ぎる」
ゲーミングPCを買う場所は店舗購入とネット通販どっちがおすすめ?
ユーチューバーもこう氏、元彼女・成海瑠奈について赤裸々告白
【おすすめアニメ50選】完結済み!定番から最新作まで!
オードリー若林結婚で嫁の名前がソッコーで特定する動き始まる
遠野なぎこさん死去 朝ドラ「すずらん」ヒロイン、バラエティーでも活躍 最近は摂食障害など告白

【日本ハム】首位決戦でV打の清宮幸太郎「最高の景色」首位陥落の前日は最後の打者も爆睡で充電
木下優樹菜、美貌とスタイルは健在!伊豆下田の海で魅せた娘とのビキニ姿が話題
【西武】浜屋将太が支配下復帰 昨オフ育成契約も今季は自己最速更新150キロ、2軍戦でも好投
【DeNA】バウアー、村上宗隆を2打数無安打「彼が戻ってきてすごくうれしかった」/対戦詳細
横浜対リバプール戦入場者数は6万7032人 Jリーグ主催試合の最多入場者記録を更新
Niki、PEACH JOHN新モデルに!「AIじゃ無くて実在してますか」とファン騒然!
JR東日本、首都圏5線区の運転を順次再開
オードリー若林結婚で嫁の名前がソッコーで特定する動き始まる
波瑠と川栄李奈が禁断の“母親なりすまし” 10月スタートTBS「フェイクマミー」でダブル主演
NY外為:BTC反発、米国の経済指標良好でリスク資産に投資資金が向かう