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JPS632169B2 - - Google Patents
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JPS632169B2 - - Google Patents

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JPS632169B2
JPS632169B2 JP15461880A JP15461880A JPS632169B2 JP S632169 B2 JPS632169 B2 JP S632169B2 JP 15461880 A JP15461880 A JP 15461880A JP 15461880 A JP15461880 A JP 15461880A JP S632169 B2 JPS632169 B2 JP S632169B2
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JP
Japan
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temperature characteristics
mechanical filter
transducers
transducer
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JP15461880A
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JPS5779724A (en
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Masaki Kobayashi
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Oki Electric Industry Co Ltd
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Oki Electric Industry Co Ltd
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00Networks comprising electromechanical or electro-acoustic elements; Electromechanical resonators
    • H03H9/46Filters
    • H03H9/48Coupling means therefor
    • H03H9/50Mechanical coupling means

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

本発明は一般にメカニカルフイルタに関し、特
に温度特性の良好なメカニカルフイルタに関す
る。 第1図はメカニカルフイルタの従来例で、1及
び2は信号入力端子、8及び9は信号出力端子、
3及び3′はトランス3a,3a′及びキヤパシタ
3b,3b′からなり信号入力端子及び信号出力端
子に夫々接続される1対の同調トランス、5及び
5′は圧電素子5a,5a′と恒弾性合金5b,5
b′よりなり各同調トランスに夫々接続される1対
の電気−機械及び機械−電気変換器(以下入力及
び出力トランスデユーサという)、4はトランス
デユーサと同調トランスを接続するための引き出
し線、6はトランスデユーサ間に配置される共振
子、7は各共振子間及び共振子とトランスデユー
サ間を結合する結合子である。 以上のごとき構成で入力端子1及び2に電気信
号を印加すれば、該信号は同調トランス3を経て
入力トランスデユーサ5で弾性振動波に変換さ
れ、結合子7及び共振子6に伝搬せしめられる。
各共振子を伝搬した弾性振動波は出力トランスデ
ユーサ5′で再び電気信号に変換された後、同調
トランス3′を経て出力端子8及び9へ供給され
る。ここで、トランスデユーサ5,5′及び共振
子6は捩り振動、結合子7は縦振動を行なう。同
調トランス3及び3′は圧電素子5a及び5a′の
拘束容量CDを吸収すると共に、トランス3a及
び3a′の巻線比の選定により入力端子に接続され
る信号源インピーダンスRS及び出力端子に接続
される負荷インピーダンスRLとトランスデユー
サ5,5′及び共振子6及び結合子7よりなるメ
カニカルフイルタ本体のインピーダンスZLを整合
させる機能を有する。 上記構成のメカニカルフイルタは現在一般に用
いられているが、メカニカルフイルタ本体のイン
ピーダンスZLの温度依存性が大きく、そのためイ
ンピーダンスZLの変化に対応して同調トランスの
巻線比を変化させる必要があるが、これは不可能
であり、結局メカニカルフイルタの温度特性を劣
化させるという欠点を有する。 従つて本発明は従来の技術の上記欠点を改善す
るもので、その目的は良好な温度特性をもつメカ
ニカルフイルタを提供することにある。この目的
を達成するための本発明の特徴は、同調トランス
にかわる整合回路として受動素子で構成されるジ
ヤイレータを用い、ジヤイレータの受動素子の温
度係数とトランスデユーサの圧電素子の温度特性
との間に相関をもたせることにより構成されるご
ときメカニカルフイルタにある。以下図面により
実施例を説明する。 第2図は本発明によるメカニカルフイルタの第
1の実施例で、第1図と同符号のものは同一物を
示す。入力端子1及び2と入力トランスデユーサ
5との間に挿入されるジヤイレータ10は、図示
のごとく2個のキヤパシタンスC1及びC2の並列
接続にインダクタンスL1を挿入したπ型接続で、
出力端子8及び9と出力トランスデユーサ5′と
の間に挿入されるジヤイレータ11についてもキ
ヤパシタンスC3及びC4とインダクタンスL2とに
よつて同様に構成される。 ここで、入力端子1及び2端子が信号源インピ
ーダンスRSで終端されているとして引き出し線
4からジヤイレータ10を介して信号源を見込ん
だインピーダンスZ1は、フイルタの中心周波数を
ω0とすれば、 但し
The present invention generally relates to mechanical filters, and more particularly to mechanical filters with good temperature characteristics. Figure 1 shows a conventional example of a mechanical filter, in which 1 and 2 are signal input terminals, 8 and 9 are signal output terminals,
3 and 3' are a pair of tuning transformers consisting of transformers 3a, 3a' and capacitors 3b, 3b' connected to the signal input terminal and signal output terminal, respectively; 5 and 5' are piezoelectric elements 5a, 5a' and constant elastic Alloy 5b,5
A pair of electrical-mechanical and mechanical-electrical converters (hereinafter referred to as input and output transducers) are connected to each tuning transformer, and 4 is a lead wire for connecting the transducer and the tuning transformer. , 6 is a resonator disposed between the transducers, and 7 is a coupler for coupling between each resonator and between the resonator and the transducer. When an electric signal is applied to the input terminals 1 and 2 with the above configuration, the signal is converted into an elastic vibration wave by the input transducer 5 via the tuning transformer 3, and propagated to the coupler 7 and the resonator 6. .
The elastic vibration waves propagated through each resonator are converted into electrical signals again by the output transducer 5', and then supplied to the output terminals 8 and 9 via the tuning transformer 3'. Here, the transducers 5, 5' and the resonator 6 perform torsional vibration, and the coupler 7 performs longitudinal vibration. The tuning transformers 3 and 3' absorb the constraint capacitance C D of the piezoelectric elements 5a and 5a', and also change the signal source impedance R S connected to the input terminal and the output terminal by selecting the winding ratio of the transformers 3a and 3a'. It has a function of matching the connected load impedance R L with the impedance Z L of the main body of the mechanical filter consisting of the transducers 5, 5', the resonator 6, and the coupler 7. Mechanical filters with the above configuration are currently in general use, but the impedance Z L of the mechanical filter body has a large temperature dependence, so it is necessary to change the turns ratio of the tuning transformer in response to changes in impedance Z L. However, this is not possible and has the disadvantage of ultimately deteriorating the temperature characteristics of the mechanical filter. Therefore, the present invention aims to improve the above-mentioned drawbacks of the prior art, and its object is to provide a mechanical filter with good temperature characteristics. A feature of the present invention to achieve this object is to use a gyrator composed of passive elements as a matching circuit instead of a tuning transformer, and to create a relationship between the temperature coefficient of the gyrulator's passive element and the temperature characteristic of the piezoelectric element of the transducer. This is a mechanical filter that is constructed by correlating the Examples will be described below with reference to the drawings. FIG. 2 shows a first embodiment of a mechanical filter according to the present invention, and the same reference numerals as in FIG. 1 indicate the same parts. The gyrator 10 inserted between the input terminals 1 and 2 and the input transducer 5 is a π-type connection in which an inductance L 1 is inserted in a parallel connection of two capacitances C 1 and C 2 as shown in the figure.
The gyrator 11 inserted between the output terminals 8 and 9 and the output transducer 5' is similarly constructed of capacitances C3 and C4 and inductance L2 . Here, assuming that the input terminals 1 and 2 are terminated with the signal source impedance R S , the impedance Z 1 looking into the signal source from the lead wire 4 through the gyrator 10 is, if the center frequency of the filter is ω 0 , however

【式】ω2 0L1C1=1、C2=C1− CDである。同様に出力端子8及び9端子が負荷
インピーダンスRLで終端されているとして引き
出し線4からジヤイレータ11を介して負荷を見
込んだインピーダンスZ2は、 但し
[Formula] ω 2 0 L 1 C 1 = 1, C 2 = C 1 − C D. Similarly, assuming that the output terminals 8 and 9 are terminated with the load impedance R L , the impedance Z 2 considering the load from the lead wire 4 through the gyrator 11 is: however

【式】ω2 0L2C3=1、C4=C3− CDである。(1)、(2)及びZ1=Z2=ZLの関係からR1
及びR2を求めると、 R1=√SL、R2=√LL (3) となる。(1)、(2)式から明らかな様にR1、R2はL1
L2とC1、C3の比であるため、夫々の温度特性を
適切に選べば、Z1及びZ2の温度特性をメカニカル
フイルタ本体のインピーダンスZLの温度特性に完
全に一致せしめることが可能である。ZLの温度特
性は圧電素子5a,5a′の温度特性により決定さ
れ、次式で表わすことができる。 −1/ZL・ΔZL/ΔT=1/CD ΔCD/ΔT+2/k
Δk/ΔT+2/v Δv/ΔT (4) 但し、kは圧電素子の電気機械結合係数、vは
圧電素子中を伝播する弾性振動波の音速、ΔTは
微少温度変動である。
[Formula] ω 2 0 L 2 C 3 = 1, C 4 = C 3 − C D. From (1), (2) and the relationship Z 1 = Z 2 = Z L , R 1
and R 2 , R 1 =√ SL , R 2 =√ LL (3). As is clear from equations (1) and (2), R 1 and R 2 are L 1 ,
Since it is the ratio of L 2 to C 1 and C 3 , if the respective temperature characteristics are selected appropriately, the temperature characteristics of Z 1 and Z 2 can be made to perfectly match the temperature characteristics of the impedance Z L of the mechanical filter body. It is possible. The temperature characteristics of Z L are determined by the temperature characteristics of the piezoelectric elements 5a and 5a', and can be expressed by the following equation. -1/Z L・ΔZ L /ΔT=1/C D ΔC D /ΔT+2/k
Δk/ΔT+2/v Δv/ΔT (4) where k is the electromechanical coupling coefficient of the piezoelectric element, v is the sound speed of the elastic vibration wave propagating in the piezoelectric element, and ΔT is the minute temperature fluctuation.

【表】 第1表は圧電素子として一般に市販されている
圧電セラミツクス(A材、B材、C材)の温度特
性を示す。但し、kはk15、vは厚みすべり波の
音速である。第1表より明らかな様に1/CD ΔCD/ΔT の値は他に比べ一桁大きいため、ZLの温度特性は
ほとんどCDの温度特性で決まる。(1)式より 1/Z1 ΔZ1/ΔT=1/ZL ΔZL/ΔT=(1/L1 ΔL1
/ΔT−1/C1 ΔC1/ΔT) (5) 又ω2 0L1C1=1より1/L1 ΔL1/ΔT=−1/C1 ΔC
1/ΔTで あるから、(4)及び(5)式より 1/C1 ΔC1/ΔT=1/2CD ΔCD/ΔT (6) 負荷側についても同様に、 1/L2 ΔL2/ΔT=−1/C3 ΔC3/ΔT 1/C3 ΔC3/ΔT=1/2CD ΔCD/ΔT (7) 但しC1、C3≫CDとする。 (6)、(7)式からキヤパシタンスC1〜C4の温度特
性をCDの温度特性の1/2に選べば、ZLの変化に対
応した整合条件を得ることができる。この時イン
ダクタンスL1及びL2の温度特性はC1〜C4の温度
特性の符号を逆にした値に選ぶ必要がある。 第3図aは整合回路の第2の具体例で、第3図
bは第3図aにおけるL3及びC7よりなる並列共
振回路をフイルタの中心周波数ω0において等価
的にインダクタンスL0におきかえたものである。
従つてL0は、 (8)式より 但し、ωl1 2=1/L3C7、ΔL3/ΔT=0である。 第4図aは整合回路の第3の具体例で、第4図
bと同様に等価的にインダクタンスL0におきか
えたものである。上述と同様に、 (9)式より 但し、ω2 l2=1/L4・C10、ΔL4/ΔT=0である。 以上説明した実施例のうち第1の実施例はCD
の温度特性が比較的小さくL1及びL2の温度特性
を選定し得る場合に用いられ、第2及び第3の実
施例はL1及びL2の温度特性を選定し得ない場合
に等価的にC7、C10でL0の温度特性を制御するこ
とにより用いられる。 第2表は第2図、第3図及び第4図で述べた各
整合回路を構成する受動素子の定数を示すもの
で、これは圧電素子として第1表のA材を用い、
RS=RL=600Ω、ZL=15KΩ、CD=65pF、f0
129、85KHz、fl1=170KHz、fl2=80KHzとして求
めたものである。なお、αL=1/L ΔL/ΔT(ppm/ ℃)、αC=1/C ΔC/ΔT(ppm/℃)である。
[Table] Table 1 shows the temperature characteristics of piezoelectric ceramics (materials A, B, and C) that are generally commercially available as piezoelectric elements. However, k is k 15 and v is the sound speed of the thickness shear wave. As is clear from Table 1, the value of 1/C D ΔC D /ΔT is an order of magnitude larger than the others, so the temperature characteristics of Z L are almost determined by the temperature characteristics of C D. From formula (1), 1/Z 1 ΔZ 1 /ΔT=1/Z L ΔZ L /ΔT=(1/L 1 ΔL 1
/ΔT-1/C 1 ΔC 1 /ΔT) (5) Also, since ω 2 0 L 1 C 1 = 1, 1/L 1 ΔL 1 /ΔT=-1/C 1 ΔC
1 /ΔT, so from equations (4) and (5), 1/C 1 ΔC 1 /ΔT=1/2C D ΔC D /ΔT (6) Similarly for the load side, 1/L 2 ΔL 2 / ΔT=-1/C 3 ΔC 3 /ΔT 1/C 3 ΔC 3 /ΔT=1/2C D ΔC D /ΔT (7) However, C 1 , C 3 ≫C D. If the temperature characteristics of the capacitances C 1 to C 4 are selected to be 1/2 of the temperature characteristics of C D from equations (6) and (7), matching conditions corresponding to changes in Z L can be obtained. At this time, the temperature characteristics of the inductances L 1 and L 2 must be selected to have the opposite signs of the temperature characteristics of C 1 to C 4 . Figure 3a shows a second specific example of the matching circuit, and Figure 3b shows the parallel resonant circuit consisting of L3 and C7 in Figure 3a, which is equivalent to an inductance L0 at the center frequency ω0 of the filter. It has been replaced.
Therefore, L 0 is From equation (8) However, ω l1 2 =1/L 3 C 7 and ΔL 3 /ΔT=0. FIG. 4a shows a third specific example of the matching circuit, in which the inductance L 0 is equivalently replaced as in FIG. 4b. Similar to above, From equation (9) However, ω 2 l2 =1/L 4 ·C 10 and ΔL 4 /ΔT=0. Among the embodiments explained above, the first embodiment is C D
It is used when the temperature characteristics of L 1 and L 2 can be selected because the temperature characteristics of L 1 and L 2 are relatively small, and the second and third embodiments are equivalent when the temperature characteristics of L 1 and L 2 cannot be selected. It is used by controlling the temperature characteristics of L 0 at C 7 and C 10 . Table 2 shows the constants of the passive elements constituting each of the matching circuits described in Figs. 2, 3, and 4.
R S = R L = 600Ω, Z L = 15KΩ, C D = 65pF, f 0 =
129, 85KHz, f l1 = 170KHz, f l2 = 80KHz. Note that α L = 1/L ΔL/ΔT (ppm/°C), and α C = 1/C ΔC/ΔT (ppm/°C).

【表】 第5図は本発明によるメカニカルフイルタの一
実験例で、整合回路として第3図を用いC5及び
C6を圧電素子C材(第1表)、C7を磁気コンデン
サで構成し、メカニカルフイルタ本体としては第
1図及び第2図のごとき2個のトランスデユーサ
と6個の共振子よりなる次数16次の仕様で、挿入
損失を測定したものである。なお、温度範囲は20
〜60℃である。図中の曲線aは従来例、曲線bは
本発明によるメカニカルフイルタで、両者の対比
で明らかなように本発明によればフイルタの温度
特性を著るしく改善できることがわかる。なお、
C2、C4、C6、C9とCDの温度変動の差分が問題に
なる場合にはC2、C4、C6、C9、に並列に負の温
度特性の磁気コンデンサを挿入するか、又は材質
を異ならせる必要がある。 第6図aは整合回路の第4の具体例で、第6図
b及びcはインダクタンスL5の温度特性をキヤ
パシタンスC13、C18で夫々等価的に示したもので
あり、第3図及び第4図に関する説明の通りであ
る。 以上説明したように本発明によれば、整合回路
を構成する受動素子の温度特性とトランスデユー
サの圧電素子の温度特性との間に相関が与えられ
ているので、良好な温度特性のメカニカルフイル
タを提供することができる。
[Table] Figure 5 is an experimental example of a mechanical filter according to the present invention, using the circuit shown in Figure 3 as a matching circuit.
C 6 is composed of a piezoelectric element C material (Table 1), C 7 is a magnetic capacitor, and the mechanical filter body consists of two transducers and six resonators as shown in Figures 1 and 2. Insertion loss was measured using the 16th order specification. In addition, the temperature range is 20
~60℃. In the figure, curve a is a conventional mechanical filter, and curve b is a mechanical filter according to the present invention.As is clear from the comparison between the two, it can be seen that the temperature characteristics of the filter can be significantly improved according to the present invention. In addition,
If the difference in temperature fluctuation between C 2 , C 4 , C 6 , C 9 and C D becomes a problem, insert a magnetic capacitor with negative temperature characteristics in parallel with C 2 , C 4 , C 6 , C 9 . or use a different material. FIG. 6a shows a fourth specific example of the matching circuit, and FIGS. 6b and 6c equivalently show the temperature characteristics of the inductance L 5 with the capacitances C 13 and C 18 , respectively. This is as explained in connection with FIG. As explained above, according to the present invention, since there is a correlation between the temperature characteristics of the passive elements constituting the matching circuit and the temperature characteristics of the piezoelectric element of the transducer, a mechanical filter with good temperature characteristics can be obtained. can be provided.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図はメカニカルフイルタの従来例、第2図
は本発明によるメカニカルフイルタの一実施例、
第3図a及び第3図bは整合回路の第2の具体
例、第4図a及び第4図bは整合回路の第3の具
体例、第5図は本発明によるメカニカルフイルタ
の一実験例、第6図a、第6図b及び第6図cは
整合回路の第4の具体例である。 1,2;信号入力端子、3,3′;同調トラン
ス、4;引き出し線、5,5′;トランスデユー
サ、6;共振子、7;結合子、10,11;ジヤ
イレータ。
FIG. 1 shows a conventional example of a mechanical filter, and FIG. 2 shows an example of a mechanical filter according to the present invention.
3a and 3b show a second specific example of a matching circuit, FIGS. 4a and 4b show a third specific example of a matching circuit, and FIG. 5 shows an experiment of a mechanical filter according to the present invention. Examples FIG. 6a, FIG. 6b and FIG. 6c are a fourth specific example of a matching circuit. 1, 2: Signal input terminal, 3, 3': Tuning transformer, 4: Outgoing wire, 5, 5': Transducer, 6: Resonator, 7: Coupler, 10, 11: Gyretor.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 圧電素子をもつ1対の入出力トランスデユー
サと、該トランスデユーサ間に結合子を介して結
合配列される複数の共振子と、上記各トランスデ
ユーサに結合される2個の整合回路とを有するメ
カニカルフイルタにおいて、前記整合回路をキヤ
パシタンス及びインダクタンスとによる受動素子
で構成されるジヤイレータとし、該ジヤイレータ
の各受動素子の温度特性を前記トランスデユーサ
の圧電素子の温度特性に相関させることを特徴と
するメカニカルフイルタ。
1. A pair of input/output transducers having piezoelectric elements, a plurality of resonators coupled and arranged between the transducers via connectors, and two matching circuits coupled to each of the above transducers. In the mechanical filter having the following, the matching circuit is a gyrator composed of passive elements having capacitance and inductance, and the temperature characteristics of each passive element of the gyrator are correlated with the temperature characteristics of the piezoelectric element of the transducer. Characteristic mechanical filter.
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