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JPH0114725B2 - - Google Patents
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JPH0114725B2 - - Google Patents

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Publication number
JPH0114725B2
JPH0114725B2 JP56028304A JP2830481A JPH0114725B2 JP H0114725 B2 JPH0114725 B2 JP H0114725B2 JP 56028304 A JP56028304 A JP 56028304A JP 2830481 A JP2830481 A JP 2830481A JP H0114725 B2 JPH0114725 B2 JP H0114725B2
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JP
Japan
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filter
resonator
coupling
resonators
coupler
Prior art date
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JP56028304A
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F Kuenemund
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Siemens Corp
Original Assignee
Siemens Corp
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Publication date
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Application filed by Siemens Corp filed Critical Siemens Corp
Publication of JPS5723314A publication Critical patent/JPS5723314A/en
Publication of JPH0114725B2 publication Critical patent/JPH0114725B2/ja
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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
    • 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】 本発明は、終端共振子がそれぞれ電気振動を機
械振動に又は機械振動を電気振動に変換する電気
機械変換器に接続され、すべてのねじり共振子
が、縦振動を行ないかつ全長にわたつて同一の断
面を有する貫通線として構成される結合線(結合
子)を介して互いに結合され又は個個のフイルタ
部分区間に存在して直接隣接し合うねじり共振子
が当該区間毎に、縦振動を行ないかつ全長にわた
つて同一の断面を有する所属の区間結合線(結合
子)を介して互いに結合され、該結合線又は該区
間結合線が共振子の縦軸と垂直に設けられかつ各
共振子と各結合点で結合せしめられ、共振子の実
効質量が実質的に相等しく、更に所定のフイルタ
通過特性を得るため各共振子間の結合度を種々に
選定した、軸平行に配置された複数個のねじり共
振子を有するメカニカルフイルタに関する。 周知のようにエレクトロメカニカルフイルタは
最近の通信技術では以下の理由により重要視され
てきている。即ちエレクトロメカニカルフイルタ
はそれに適した周波数範囲では集中定数回路素子
を設けたフイルタに比して、たとえば各共振子の
Qが大きく、フイルタの所要面積は小さくかつ温
度依存度が小さいという一連の利点を有するから
である。このようなフイルタを構成する際には
種々の機械的振動モードを利用することができ、
そのうち特に共振子のねじり振動と結合子の縦振
動とを組合せることが行われる。これに関連して
雑誌“アルヒーフ・デル・エレクトリツシエン・
ユーベルトラーグング”(AEU¨)、第17巻、1963
年3月、103〜107頁により、かかるフイルタにお
いて互いに軸平行に配置された各ねじり共振子を
縦振動を行う結合子を介して互いに接続し、直接
隣り合つた共振子の結合点の距離を結合子に発生
する波長の1/4に設定することはすでに公知とな
つている。このようなフイルタをいわゆる動作パ
ラメータ理論により設計する場合には、たとえば
最大平担特性又はチエビシエフ特性などの所定の
フイルタ通過特性を得るため、隣接共振子の結合
度を種々に設定しなければならない。これは各区
間で種々の直径を有する結合子を使用するか、又
は各区間で互いに同じ大きさの結合子を使用する
場合には共振子の質量を互いに異ならしめること
により、(これは周知のフイルタでは幾つかの共
振子に縦孔を設けることにより生ぜしめられる)
達成される。場合によつては隣接する共振子を、
たとえばドイツ特許公告第1147335号公報により
公知の如く、付加的な結合子により別々に結合す
ることも行われる。しかしこのようなフイルタの
構成は、各共振子間に種々の結合度を与えてたと
えば最大平担特性はチエビシエフ特性などの所定
のフイルタ通過特性を得るために、各フイルタ区
間で種々の直径を有する結合子を設けたり、同じ
大きさの結合子を使用する場合には幾つかの共振
子に比較的正確な公差を持つ穿孔を設けなければ
ならないか、又は同じ質量を有する共振子を使用
する場合には隣接結合子を直接結合するため少な
くとも一つの付加的結合子を設けなければならな
いので、付加的な製造技術上の手段を必要とす
る。 のみならずλ/4長の結合子のフイルタでは阻止 減衰縁の算術的対称性があまり良好でない。また
その誤差敏感度分布に基いて下側帯域縁への誤差
の影響が無視できない。更に結合子のねじり共振
に起因する阻止域での副共振は通過域に近接して
集中的に発生し、そのため鋭い減衰量の落込みを
生ぜしめる。 本発明の基本的課題は、各共振子間に種々の結
合度を与え所定のフイルタ通過特性を得るために
上記のような付加的な製造技術上の手段を必要と
せず、しかも阻止減衰縁の対称性が良好で、下側
帯域縁への誤差の影響が無視でき、加えて結合子
のねじり共振に起因する阻止域での副共振が通過
域から離れているようにして従来技術の欠点を除
いたメカニカルフイルタを提供することである。 本発明によればこの課題は次のようにして解決
される。即ち各共振子間の隣り合つた各結合点間
の間隔は、各々フイルタの両側に設けられた両終
端共振子からフイルタの中央に向かつて次第に増
大し、その際前記隣り合つた各結合点間の最大間
隔は駆動状態での波長λの1/4より短かく、最小
間隔は駆動状態での波長λの1/4より少なくとも
35%だけ短かく設定したことにより解決される。 本発明のような各共振子間の隣り合つた各結合
点間の間隔を、各々フイルタの両側に設けられた
両終端共振子からフイルタの中央に向かつて次第
に増大したフイルタ、即ち対称性のフイルタによ
り初めて、各共振子間に種々の結合度を与え所定
のフイルタ通過特性、即ちフイルタの通過域にお
ける良好な平坦特性を達成するために前述のよう
な付加的な製造技術上の手段を必要とせず、しか
も阻止減衰縁の対称性が良好で、下側帯域縁への
誤差の影響が無視でき、加えて結合子のねじり共
振に起因する阻止域での副共振が通過域から離れ
ているようにして従来技術の欠点を除くことがで
きるという顕著な効果を達成することができる。 つまり、非急峻化メカニカルフイルタにおい
て、フイルタの通過域における良好な平坦特性を
達成するためには、フイルタの両端で結合度が最
も強く、フイルタの中央で結合度が最も弱くなけ
ればならないのであり、このことは本発明の請求
範囲にて特定したような特有の構成要件により実
現され、すなわち本発明に特有の対称性のフイル
タにより初めて実現できるのである。 すなわち対称性の導入により、フイルタのいず
れの対称的な装置構成にても大きな利点が得られ
る。つまり、メカニカルフイルタの場合、全く同
数の共振子と結合子をただ2倍しか必要としない
が、特有の対称性は理論的なフイルタの設計にも
依存しており、即ち、フイルタの特性函数にも依
存していて、而して、エレクトロメカニカルフイ
ルタの本発明のような特異的な対称的な構成によ
り、上記の格別な効果が奏され得る。 本発明のような構成にすれば上記課題が解決さ
れるだけでなく、全長を著しく短縮することがで
きる。ちなみにλ/4長の結合子をもつたフイルタ では各結合子の長さは予めλ/4に規定されている ため、最小構成長は共振子の数によつて定まり、
短縮することはできない。 本発明の構成により、λ/4長の結合子の場合と 異なり後述のようにすべての共振子間で結合子は
フイルタの通過域において(即ち動作周波数のも
とで)インダクタンスとして作用する。更に結合
点間の間隔が従来の場合(λ/4)に比して短いか ら、通過域から遠く離れた位置で、減衰量の落ち
込みを生ぜしめることができる。 本発明の構成により、結合点間の距離を種々に
設定することによつて結合係数を種々に設定する
ことができる。本発明では、結合点間の距離の大
小の組合わせによつて、フイルタの所望の通過特
性や通過域における所望の減衰曲線の許容リプル
を良好に実現できる。換言すれば各共振子間に
種々の結合度を得るための上記のような付加的製
造技術上の手段は必要ない。のみならず本発明で
は、結合点間の間隔が異なるため、結合子の共振
が従つて減衰量の落ち込みが、従来技術のように
集中的に発生することは少なく、例えば阻止減衰
量レベルを40dBより大きい値にすることも可能
となる。 本発明の構成によりCCITTの公差規準の1/20
の要請に応えることができる。更に結合子の共振
は一層離れた周波数位置で生ずることになる。ま
た、本発明では最小間隔は少なくとも35%だけ
λ/4より短く設定される。 結合点間の最大間隔をλ/4の65%若しくはそれ より短かくすれば、残りの間隔も必然的にλ/4の 65%より短かくなり、公知の寸法選定の場合(即
ち結合子長をλ/4に選定した場合)に比して、フ イルタ全長を一層短縮することができる。 但し、フイルタをその全長ができる限り小さく
なるように構成すると共に、最小間隔(第5図a
1)を両共振子半径の和より大にして、この両共
振子間の接触を防止しなければならない。また、
各共振子の直径も任意に小さく選定することはで
きない。それはそうすればフイルタに不都合な妨
害付随振動が生ずるからである。 縦結合子の基礎理論 C.クルス著「アイネ ベレンパラメータテオリ
フユア メヒヤニツシエ フイアポーレ イン
コンプレツシヨン―オーダ トージヨンズシユ
ビングング」―VEB―RFT―フエルンメルデヴ
エルク ライプチツヒからのレポート、1959年、
ナツハリヒテンテヒニツク第11号には、音響的線
路のFマトリクスの導出過程が記載されている。
以下これに基いて音響的線路のFマトリクスの導
出について簡単に説明する。上掲の論文では、機
械的な縦振動線路に対し、 δP/δx=ρFδV/δt (K−3a) δV/δx=α/F δP/δt (K−3b) の偏微分方程式が導出されている。但しPは力で
ありVは速度であり、ρは線路の材料の密度であ
りαは1/E(Eは弾性係数)である。またFは線 路の横断面積である。式(K−3a),(K−3b)
は線路伝送理論から周知の式 δU/δx=L′δI/δt (K−9a) δI/δx=C′δU/δt (K−9b) と対比されている。2つの可能で等価な対応関係 I∧ =P及びU∧ =V (K−10) と U∧ =P及びI∧ =V (K−11) のうち、上掲論文は(K−11)の式を使用してい
る。なお∧ =は、等価的関係にあることを示す。
(K−11)の式を使用する場合、 L′∧ =ρF (K−12) C′∧ =α/F (K−13) であり、従つて特性インピーダンスは Z=√′′∧ =F√ 波の伝搬速度は である。ところで λ=vo/f (K−14) である。また式(K−9a),(K−9b)の解のう
ち過渡現象後の安定状態における解を求めると、 U1=U2cos2πx/λ+I2Zj sin2πx/λ I1=U2/Zj sin2πx/λ+I2cos2πx/λ である。これをマトリクス表示すれば である。2πx/λ=bとおけば となる。式(K−11)の代わりに式(K−10)を
用いれば、式(K−12),(K−13)の代わりに式
(2),(3)を得る。 L′∧ =α/F (2) C′∧ =ρF (3) 式(K−10)を用いた場合、その等価回路が式
(K−11)を用いた場合に対し双対になる。即ち
抵抗がコンダクタスになる。 特性インピーダンスは である。voは式(K−11)を用いた場合と同じ
である。国際的慣習に従つて横断面積をA(Fの
代わりに)で示し、弾性係数E=1/αをαの代わ りに使用すれば、(4)式の特性インピーダンスは Zk-1=A(Eρ)1/2 となる。次に(1)のマトリクスに、式(K−14)の
vo/f若しくは2πvp/ωを代入し、更にvoとして 【式】ないし【式】を代入し、xの代 わりに長さlを用いれば、位相量b b=ωl(ρ/E)1/2 を得る。このようにして結合子のFマトリクス を得る。 但しAを結合子の横断面積、Eを弾性係数、ρ
を密度とする際、Zk=1/A(E〓)1/2である。またl を結合子の長さ、ωを角周波数とする際、b=
ωl(ρ/E)1/2である。 捻り振動子のFマトリクスの導出 上掲論文に取り扱われているフイルタ構成体
は、個々の線路区間がその始端及び終端の双方で
隣接する線路区間とエネルギのやりとりを行なう
縦続接続される線路区間である。すべての線路区
間の振動モード及び振動方向は相等しい。これら
の理由から個々の線路区間は4端子網として作用
する(これに対し本発明のメカニカルフイルタ
は、相異なる振動モードと振動方向を有する共振
子と結合子から成る)。エネルギのやり取りはも
つぱら結合子の取付個所でのみ生ずる。従つて
個々の共振子が1点でのみ接触する単一の連続線
結合子を設ける場合には、共振子が2端子網とし
て働くことになる。共振子の振動節点に対して対
称に位置する結合子が存在する場合には(例えば
第5図の9,9′あるいは前掲AEU¨第1図、第3
図、第5図のもの)、対称性に基いて共振子は同
じ原理に従い、やはり2端子網として働くことに
なる。共振子のFマトリクスは、前掲AEU¨によ
れば である。但し周波数の相対離調度は =2△f/fo (B−3) である。これは、小さい帯域幅(△f≪fo)の場
合の周知の近似式である。正確な式は、上掲論文
の捻り振動式から直接に導出される。マトリクス
(1)は縦波ばかりでなく捻りにも成立する。並進運
動的な等価関係(K−10),(K−11)の代わりに
回転運動的な等価関係を基礎におくだけでよいか
らである。Mをモーメント、rを角速度、mを質
量、Ipを2次元慣性モーメントとすれば、上掲論
文第491頁から δM/δx=ρIpδr/δt δr/δx=δ/Ip2(1+1/m)δM/δt 再び伝送線路とのアナロジーをみると、 I∧ =M及びU∧ =r (K−10) である。縦振動線路の場合(2),(3)と同じ要領で、 L′=α/Ip・2(1+1/m) (5) C′=ρIp (6) を得る。これらより捻り振動の場合の特性インピ
ーダンスは になる。次いでαの代わりに弾性係数E=1/αを 使用しmの代りにポアソン数μ=1/mを使用すれ ば、 式(8)は文献などでよくみかける式である。但し
Gはすべり係数である。伝搬速度voは 即ち、位相量bは 共振子は可動な自由端を有し従つてモーメント
Oの線路である。すべての端部で(即ち線路始端
でも)モーメントが生じない場合には共振が生ず
る。マトリクス(1)に適用すれば、これは等価回路
に対して次のような意味をもつ;即ち式(K−
10)に基いて共振子が出力側無負荷(I2=O)の
際、その入力アドミツタンスYo(但しYoは回転
運動的入力アドミツタンスであり、Ytは並進運
動的入力アドミツタンスである)。 により特徴付けられることになる。共振条件は
Yo=Oだから 第1の固有共振周波数(ν=1)をωoにより
示せば 式(12)を式(11)に代入すると、 Yo=j/Ztanπω/ωo (13) 接続領域で結合されている捻り共振子(第5図
の実施例がそうである)では、結合子は力P及び
速度Vを共振子に伝え、力P及び速度Vは共振子
の端部でモーメントM及び角速度rに変換され
る。この場合てこ腕は共振子直径の1/2(=D/2) である。 まず回転運動入力アドミツタンスYo=M/rを得 る。 M=PD/2及びr=V/D/2であるから、 Yo=PD/2/2V/D 従つてYo=P/V・D2/4 である。 P/Vは並進運動的な入力アドミツタンスYtであ る。 これによりYo=Yt・D2/4 式(13)から Yt=j4/ZD2tanπω/ωo になる。更に式(8),(12)及び前掲論文の表 【表】 から、 Yt=jD2ρlωp/8tanπω/ωp =jmωp/2πtanπω/ωp (14) けだしD2ρlωp=D2ρπ√G/ρ……式(12)による。 =D2π√ =D2π/Z・Ip ……式(8)による。 =32/D4π・D2π/Z=32/ZD2……上掲の表によ
る。 但しmは質量である。f=ω/2π及びf=fp+△ fを代入すると、(B−2)のマトリクス要素
a21を得る。 Yt=jωpn/2πtanπ△f/fo Ytjωpn/4・2△f/fo 但し∧ =2△f/fo,Z∧ =4/ωpn 一端でのみ結合子に連結されている共振子は
力・電流の等価関係(K−10)によれば並列分岐
路の2端子網として働くから、他のマトリクス要
素a11,a22,a12はa11=a22=1,a12=Oとな
る。結合点の左側の速度は等しい。他方入側の結
合子の力は一部分共振子に加わり、一部分出側の
結合子による直接に吸収される。 前掲AEU¨に使用されている近似は、λ/4長の結 合子をもつた狭幅のフイルタの解析には充分なも
のである。結合子はほとんど周波数に依存しない
からである。これは実質上帯域通過フイルタ・低
域通過フイルタ変換を意味している。帯域通過フ
イルタ・低域通過フイルタ変換では共振子が並列
キヤパシタンスに帰着される。より一般的な結合
子(例えば短い結合子)又は広帯域幅の場合に
は、共振子の等価回路はコンダクタンスYE YE=jCoω2−ωo2/ω を含む並列回路になる。 等価キヤパシタンスCoは、共振の際に電気等
価回路の急峻度dYE/dωを機械的アドミツタンスの 急峻度dYt/dωに一致せめることによつて決定され る。即ち j・Cpω2+ω2 p/ω2|〓=p ∧ =j・m/2(1+tan2πω/ωp)|〓=p 但し Cp∧ =m/4 (15) このようにしてFマトリクス要素は a11=1 a12=O a21=j・ωp・m/2π・tanπ・△f/fp a22=1 となる。従つてFマトリクスは となる。また電気的等価回路のFマトリクスは 但し Cp∧ =m/4 λ/4長の結合子をもつたフイルタの等価回路、 4端子マトリクス、減衰曲線(なおλ/4長の結 合子のフイルタとは結合点間の間隔がすべて
λ/4長のものを意味し、短い結合子のフイルタ とは結合点間の間隔がすべてλ/4より短いもの を意味する。) 以下では前掲AEU¨にのつとり説明していく。
前掲AEU¨ではフイルタの機械的部分をイメージ
パラメータ理論によつて設計している。その周波
数変換(又は周波数近似といつてもよい。結局は
同じことである)により、帯域通過域フイルタか
ら近似的に低域通過フイルタを構成する。前掲
AEU¨は最初の鋼製振動子から最後の鋼製振動子
までのフイルタ区間の設計に制限して論じてい
る。従つて前掲AEU¨に説明されたフイルタを数
値的に完全に後をおつて理解していくことは不可
能に近い。前掲AEU¨には、材料の数値が提示さ
れておらず、しかも設計値と実際に構成されるも
のとの間にはおおよその一致がみられるにとどま
るために極めて不正確な等価回路若しくは看過で
きない構成誤差が生じている。特にこれは、前掲
AEU¨第11図の阻止減衰量の最小値7.8Np,
7.6Np,6.7Np,7.7pと、第8図に対称に分布す
るものとして示されている設計上の阻止減衰量の
最小値7.2Np,7.1Np,7.1Np,7.2Npとを比較す
れば明白である。 そこでここでは、回路形式と中心周波数と帯域
幅と阻止特性の点では前掲AEU¨のフイルタにな
らない。圧電変換器を使用し、しかも圧電変換器
の動作をも含めて、動作パラメータ理論に基いて
最適化されたフイルタ設計を提案する。 このフイルタの構成素子は共振子とλ/4長の結 合子と縦駆動振動子とから成るとする。共振子に
はマトリクス(17)が当嵌まる。結合子には良好
な近似のもとに前掲AEU¨の式(4)のインバータマ
トリクスが当嵌まる。他方変換器には第1図aに
示すような簡略化された等価回路が得られる。双
対な力・電流アナロジーは、周知のように、第1
図bに基いてFマトリクス をもつ単位インバータを静的キヤパシタンスCo
とLC共振回路との間に挿入することにより達成
される。この場合C1=L,L1=Cである。C1
L1の並列回路は純然たる機械的特性を表示する。
縦振動子を駆動振動子として使用する場合には、 C1∧ =m/2 (18) になる。このようにして信号源インピーダンス及
び終端インピーダンスで正規化された等価回路
(第2図)を得る。第2図において、1,9で示
す回路部分は駆動振動子を示し、2〜8は捻り振
動子を示す。インバータI12〜I89はλ/4長の結合子 を示す。またI25,I58は3λ/4長の橋絡結合子であ る。Co及びC10は変換器セラミツクの静的キヤパ
シタンスである。単位インバータIp,I10は力・電
流アナロジーを考慮に入れたものである。 フイルタ全体の4端子マトリクスを導出するに
は下記の個別マトリクスが必要である。 またλ/4長結合子のマトリクスは後述の−(A) のように結合子 但しλ/4長結合子の場合Zijは正値として、3/4 入長結合子の場合にはZijは負値として、それぞ
れ代入される。なお前掲AEU¨においてベルナー
はすべてのCi,ωiをア・プリオリに与えられた
値として仮定している。従つてマトリクス(21)
の方が一般的な形になつている。橋絡結合の下に
ある2つの縦続接続区間のマトリクスは、前掲
AEU¨でも説明しているように、個別マトリクス
の乗算により得られる。 U〓K23 T3 K34 T4 K45 及び U〓K56 T6 K67 T7 K78 マトリクスU〓 但し u11=C3ω2−ω23/ω Z23Z34/Z45 u12=Z23Z34Z45 (C3C4(ω2−ω23)/ω2−1/Z234 u21=−Z23/Z23Z45 u22=C4ω2−ω24/ω Z34Z45/Z23 U〓に対してもこれに類似のマトリクスが得ら
れる。 対応する橋絡結合との並列接続を考えると、下
記のマトリクスが得られる。 V〓U〓K25 及びV〓U〓K58 V〓をはつきり
とマトリクス表示すると、 但し v=1―Z23Z45/Z25Z34 (1−C3C4Z2 34(ω2−ω23)(ω2−ω24)/
ω2 v11=u11 v12=u12 v22=u22 v21=Z23Z34Z45/Z225 (C3C4(ω2−ω23)(ω2−ω24)/ω2−1
/Z234) +2/Z25−Z34/Z33Z45 マトリクス(24)にC3=C4,ω3=ω4(同じ共振
子だから)を代入し、更にV=ω2−ω23)/ω(帯
域 通過フイルタ・低域通過域フイルタ変換)を代入
し、C3Z23=K-1 12,C3Z34=K-1 23,C3Z45=K-1 34,C3
Z25=−K-1 14(正規化)を代入すれば、前掲AEU¨の
式(8)〜(11)を得る。 かくてフイルタ全体のマトリクスは W1 K12 T2 V〓T5 V〓T8 K89
W9 (25) であり、(このマトリクスの要素は周波数P=jω
の分数有理関数である)、一般に の形になる。なお である。但しω1〜ω4は両橋結合子により形
成される4つの減衰極を示す。減衰極の値は個別
マトリクスV〓及びV〓の分母の零点から得られ
る。これはV〓の場合にはマトリクス(24)のv
である。個別マトリクスV〓にも同じようなマト
リクスが存在する。Z25>Oであれば、減衰極は
複素周波数に生ずる。係数g2ν(1),g2ν(2),U2ν(1)

U2ν(2)は、フイルタの回路素子の一次結合であ
る。実際に算出する場合にはコンピユータを使用
する。 通常メカニカルフイルタは源インピーダンス対
称(対称行列)に設計される。この場合G1=G2
であり、特性関数は 即ちこのフイルタは零周波数の位置に5次の極
をもち、無限周波数の位置に7次の極をもち、有
限周波数の位置に4つの極をもつ。 前掲AEU¨のフイルタのように帯域縁が196407
Hz,199807Hz,阻止減衰量極小値が62.5dB,
61.7dB,61.7dB,62.5dB、通過域においてチエ
ビシエフにより平坦化された反射係数が10%で
あれば、第2図の回路の回路定数として、終端イ
ンピーダンス及びfN=100kHzで正規化された下
記の値を得る。 【表】 前掲AEU¨の式(12)によりこれらを結合係数に換
算すれば、百分率で、 【表】 を得る。これらの値は、括弧内に掲示した前掲
AEU¨のフイルタの場合の値と同じオーダの大き
さである。括弧内に掲示した前掲AEU¨のフイル
タの場合の数値との相異は、前掲AEU¨ではフイ
ルタ設計の際に変換器を含めて考察していないこ
と、及び設計方法がイメージパラメータ理論に依
拠してること、他方ここで説明しているフイルタ
設計方法は動作パラメータ理論に依拠しているこ
と、から導かれる。但し前掲AEU¨では無視して
いた駆動振動作を1,9により示している関係
上、ここで使用しているインデクスは前掲AEU¨
の場合より1だけ大きい。 対応する減衰曲線は特性関数K(p)から aB=10log(1+|k(p)|2) であり、これを第6図にプロツトする。フイルタ
の長さは3λ、即ちλ/4(結合子長)×8+2×λ/
2 (駆動振動子)、である。材料としてサーモエラス
トを使用すれば70mmである。 以下図面について本発明の実施例を詳細に説明
する。 第5図の実施例では7つのねじり共振子1〜7
からなるエレクトロメカニカルフイルタが示され
ており、各ねじり共振子は結合子9,9′を介し
て互いに結合される。場合によつては一つの結合
子、たとえば結合子9だけで各ねじり共振子間の
充分な結合をなすことができ、又は各結合線が細
い場合には共振子の下側に更に2つの結合線を設
け、完全に対称的構成にすることもできる。結合
子9は終端共振子1,7から更に引出され、電気
機械的変換器8,8′に接続される。変換器8,
8′はそこに生ずる電気的振動を機械的な縦振動
に変換できるように構成されなければならないの
で、結合子9は矢印19で示したように縦振動を
行う。このような条件を満たす電気機械変換器は
公知でり、たとえば縦共振子から構成することが
できる。この点については、任意の適当な変換素
子を使用できるのでここでは詳細には説明しな
い。唯注意すべきことは、たとえば電気機械変換
器8は電気振動を機械的縦振動に変換し、これを
電気機械変換器8′において電気振動に再び変換
するようにすることである。 個々のねじり共振子1〜7は円筒体から構成さ
れ、その縦軸中心が互いに平行になるように配置
される。各結合子9,9′は共振子の縦軸と垂直
に設けられ、共振子1〜7の外周上に設けられた
各結合点21〜27で共振子と固く結合される。
共振子および結合素子が金属材料から形成される
ときは、両者の結合は溶接により行うと良い。 ねじり共振子では周知のように中心面に沿つて
振動節が形成される。即ちこの箇所においては共
振子は実際上何等の運動を行わない。この箇所に
は支持板10に係留されている支持線11が係合
する。特にこのような支持線を各共振子1〜7に
設け、場合によつてはフイルタの下側に更に別の
支持板を設けるようにすれば、全共振子は両側で
支持ないし懸垂せしめられる。支持板10はフイ
ルタケース又は基板を利用すると好適である。支
持線11の長さはできるだけ短かくすると良く、
これによつてフイルタの高さは共振子の直径より
若干大きくなるだけで済む。この場合注意すべき
ことはねじり共振子1〜7が結合子9,9′と共
に自由に振動できるようにすることである。 本実施例では入力側変換器として形成された電
気機械変換器8により共振子1が矢印20により
示した振動方向に沿つてねじり振動せしめられる
と、このねじり振動は結合子9,9′に縦振動を
生ぜしめる。この縦振動は共振子2〜7を同様に
ねじり振動せしめ、結局電気機械変換器8′にお
いて機械振動が電気振動に再び変換せしめられ
る。第5図のエレクトロメカニカルフイルタの通
過帯域の周波数位置は周知のように本質的にはね
じり共振子1〜7の固有共振子周波数により規定
され、これは同様に本質的には各共振子の長さに
依存している。帯域幅を含めたフイルタ通過特性
には各共振子間の結合強度が関係しており、結合
の程度に応じて任意のフイルタ通過特性、たとえ
ば最大平坦振幅特性又はチエビシエフ的減衰特性
が得られる。結合強度は一方では結合子9,9′
の断面寸法、他方では結合子9,9′と振動節と
の距離bにより規定される。なぜなら距離bが大
きくなるにつれ結合子9は比較的大きな振動振幅
範囲に達し、その結果結合は高められるからであ
る。このように寸法を予め一定に規定する方法の
他にも結合強度は隣接する結合点同志の距離によ
つて規定される。第5図の実施例では、隣接結合
点間の距離がフイルタ中央に向うにつれて大きく
なるようにされている。即ち結合点21,22間
ないし26,27間はそれぞれ距離a1を、結合
点22,23間ないし25,26間はそれぞれ距
離a2を、結合点23,24間ないし24,25
間はそれぞれ距離a3を有する。 第5図の実施例ではa3が隣接せる共振子間の
最大間隔であり、a2,a1はa3より小さい。
またa2はa1より大きい。本発明では少なくと
もa1がλ/4の65%より短かい。本発明の実施例 として、a1だけでなく、a2もλ/4の65%より 短かくすることができる。更にはa1〜a3のす
べてをλ/4の65%より短かくすることもできる。 但し動作パラメータ設計理論上2つの隣接結合点
間の最小距離(実施例中間隔a1)が、振動発生
の際、共振子1,2が接触し合わないような大き
さでなければならないことは明らかである。 前述のように結合強度の段階付、即ち隣接共振
子の結合強度を種々選択することは、たとえば動
作パラメータ理論により計算されたフイルタにお
いて所定のフイルタ特性を得る場合には常に必要
である。一般に全最大値が減衰ないし反射係数に
関し同じ大きさを有する最大平坦特性又はチエビ
シエフ特性を有するフイルタ特性が特に要求され
る。 第5図に図示した実施例のフイルタの等価回
路及び4端子マトリクス ここでも前掲AEU¨にのつとり説明する。第5
図の実施例のフイルタは前掲AEU¨のものとは対
比しえない。何故なら、前掲AEU¨のフイルタ
(第2図参照)は橋絡結合子I25,I58により急峻化
されているのに対し、第5図の実施例のフイルタ
は橋絡結合子を有せず従つて単調な減衰上昇を呈
するからである。それ故前掲AEU¨の式(5)〜(23)
をそのまま5図のフイルタに適用することはでき
ない。 そこでまず第5図の実施例のフイルタについて
考察し、次いで前掲AEU¨のフイルタと対比しう
るフイルタの実施例について考察していく。 (A) λ/4結合子 結合子の共振が動作周波数ωpの2倍の位置で
生ずるように結合子の長さを選定すれば、 あるいは 従つて b=π/2 ω/ωp から、Fマトリクス(1)はω=ωpに対しインバー
タのマトリクス若しくは理想的結合子のマトリク
スの形になる。 結合にとつて決定的な意味をもつマトリクス成
分はjZk sinπω/2ωpである。 (B) 短い結合子 動作周波数ωpが長さlに対応する共振周波数
のはるか下側にある場合、b≪1である故に sin bb cos b1−b2/2 これを対称なπ形等価回路に展開すれば、有列
インピーダンスは R=jZkb=jωl/AE であつて、インピーダンスの周波数特性(ばねコ
ンプライアンスl/AEに等価である)を呈する。ま た2つの並列アドミタンスは G=jb/2Zk=jωn/2 であつて、キヤパシタンスの周波数特性(結合子
質量m=ρAlの1/2に等価である)を呈する。 このようにλ/4結合子の場合とは異なる特性が 生ずる。 第5図のフイルタの等価回路は、L25=L58→∞
即ち橋絡結合子を取り除けば、第3図から得られ
る。駆動振動子及び捻り振動子のFマトリクスに
は(19)〜(21)が当嵌まる。しかし短かい結合
子のマトリクスは である。けだしλ/4より短かい結合子のπ型等価 回路は、それぞれ結合子質量の1/2に等価な2つ
の並列キヤパシタンスCijと1つの直列インダク
タンスLijとから成る。第3図の等価回路におい
て共振子が並列回路により表示されるので、何等
一般性を失うことなく、第4図のように並列キヤ
パシタンスCijを並列回路キヤパシタンスCi,Cj
に含ませることができる。物理学的にみれば、こ
れは、結合子の質量を実効振動子質量に付加する
こと、即ち結合子を無慣性弾性体とみなししかも
共振子が結合子の2つの質量半体により負荷され
るとみることに相当する。 フイルタ全体のマトリクスは、橋絡結合が存在
しないから一層簡単である。 W1 K12 T2 K23 T3 K34 *……K89
W9 (29) 式(26)の5つの多項式のうち G=P のみが違うだけである。G1,G2,U1,U2は式
(26)の形式のままである。インピーダンス対称
性G1=G2の前提のもとに、特性関数は となる。即ち零周波数の位置に1次の極が存在
し、無限周波数の位置に19次の極が存在する。有
限周波数の位置にある極は仮定の通りに存在しな
い。 帯域幅及び反射係数を前述ののように選定す
れば、最適化値は終端インピーダンスで正規化す
ることにより次のようになる。 【表】 本発明による非急峻化フイルタの設計例共振
子及び結合子の材料として密度ρ8g・cm-3
サーモエラストを用いれば、縦波の伝搬速度や
vk4.65×105cm/sである。また捻り波の伝搬
速度はvt2.85×105cm/sである。これにより
既に共振子の長さは規定される;捻り共振子の長
さは0.726〜0.728cmである。縦駆動振動子は約1.2
cmの長さである。駆動振動子の直径はまだ任意に
選定可能である。 残りの設計値を定めるためには、共振子のキヤ
パシタンスCi及び結合子のLijのための電気機械
的等価関係を必要とする。共振子には式(14)若
しくは(18)が当嵌まる。また短かい縦結合子の
等価関係は既述の通りになる。 縦振動子 Ci∧ =1/2mi 捻り振動子 Ci∧ =1/4mi 短かい縦結合子 Lij∧ =lij/AijE (31) 共振子の等価インダクタンスは、Li=1/ωi2Ci及 び共振関係式(12)により、また縦振動子ではすべり
係数Gの代わりに弾性係数Eを用いて、次の通り
になる; 縦振動子 Li∧ =2/π2・li/AiE (32) 捻り振動子 Li∧ =4/π2・li/AiG (33) 式(31)〜(33)は等価関係式であつて等式で
はないから、右辺に任意の定数qを乗じてもこれ
らの等価関係式は当然に成立する。定数qは任意
に選定可能である故、これらの等価関係式を等式
に書き換えることができる。 縦振動子 Ci=1/q・mi/2 (34) 捻り振動子 Ci=1/q・mi/4 (35) 短かい縦結合子 Lij=q・lij/AijE (36) このことからqは電気機械的アナロジー係数で
あることが明らかとなる。ちなみにqの単位は
g/Faradである。目下のところ唯一の電気的等
価素子を1つの機械的量に固定的に対応させてい
るから、係数qはフイルタの他のすべての電気機
械的関係にとつて不可変な数値になる。 第1の捻り共振子(第3図の等価回路の共振子
2若しくは第5図の共振子7)の直径を0.3cmと
仮定すれば、その質量は捻り共振子の長さが
0.728cmなのでm2=8.π/4・(0.3)20.728=0.41gで ある。等価回路にはC2=25.71μF(の末尾に示
した数値を参照)が必要であるから、式(35)か
ら、アナロジー係数q q=1/4・m2/C2=3987gF-1 (37) を得る。駆動振動子の質量は(34),(37)及び
の末尾に示した数値から m1=m9=2qC1=0.205g 既述のような駆動振動子の長さl1=1.2cmが定ま
つているから、横断面 A1=A9=m1/ρ・l1=0.021cm2 但し横断面の形状(円形、矩形)は任意に選定
可能である。 縦結合子には式(36)とE=vk2ρ=1.73×1012
g・cm-1・s2によつて lij/Aij=E/qLij=4.34×108Lijcm-1 (38) が成立する。結合子9の太さを0.019cmに選定す
れば、 Aij=λ/4(0.019)2=2.835×10-4cm2 になり、従つて lij=1.23×105Lij になる。その結果個々の結合区間に対して下記の
ような長さを得る。 l12=l89=0.233cm l23=l78=0.324cm l34=l67=0.347cm l45=l56=0.354cm かくて駆動振動子をも含めてフイルタの全長は
4.92cmになる。これに対してλ/4長の結合子をも つたフイルタの全長は7cmになる。結合子長の選
定に自由度がないからである。なお長さl23〜l45
は寸法a1〜a3に対応している。 本発明によるフイルタ設計例の動作減衰量 このようにして設計されたフイルタの動作減衰
曲線を第7図に示す。その他の設計例は例えば
(38)から容易に導出される。結合子の直径を係
数hだけ増倍すれば、すべて結合区間が係数h2
け増倍され、結合子の特性に変化はないからであ
る。振動子の直径0.3cmにする場合には、l12
0.15cmで、残りのlijがlij≧0.3cmで、すべてのlij<
λ/5=0.48cmであることに注意しさえすればよい (λ=2.4cmであるからλ/4=0.6cmである)。0.019 cmφの1つの結合子(例えば結合子9)の代わり
に、0.013cmφの結合子対9,9′を設けることも
できる。上記のように計算されたままですべての
共振子及び結合子の直径を同じ係数だけ増倍若し
くは低減することも可能である。 但しこの場合l23=0.324cmであるから、これが
捻り振動子の直径に対する上限値になる。 以上説明した構成例はいずれも第7図のような
減衰特性を呈する。 本発明のフイルタでは、λ/4長の結合子のフ イルタに比べて、阻止減衰縁の算術的対称性が
極めて良好である。なお算術的対称性とは、中
心角周波数ω0を中心にしてω0=ω1+ω2/2の関 係にあることをいう。また幾何的対称性とは、
中心角周波数ω0を中心にしてω2 0〕=ω1・ω2
関係にあることをいう。 更に本発明のフイルタでは、CCITTのチヤネ
ルフイルタ許容誤差規則を充足すべき場合に、そ
の誤差敏感度分布に基いて、安定な下側帯域縁を
得る。けだし本発明の場合、共振子の共振周波数
が下側帯域縁の近傍に位置するので、下側帯域縁
への誤差の影響が無視できる程度だからである。 のみならず、本発明のフイルタでは、縦結合子
のねじり共振に起因する阻止域における副共振
は、λ/4長の結合子のフイルタに比し、通過域か らはるか遠くに位置ししかも分散的に分布するか
ら、従つてそれだけ対処し易い。 既述のようにλ/4長の結合子をもつたフイルタ では、その特性関数が零周波数の位置に5次の極
を有し、無限周波数の位置に7次の極を有する。
また本発明の実施例のフイルタでは、その特性関
数が零周波数の位置に1次の極を有し無限周波数
の位置に19次の極を有する。即ちベルナーのフイ
ルタのようにλ/4長結合子を用いると、上側阻止 域及び下側阻止域でほぼ同数の極が生ずる。例え
ば合計10個の極が存在するとすれば5個の極が上
側阻止域に生じ、5個の極が下側阻止域に生ずる
ことになる。他方本発明のように結合点間の間隔
がλ/4より短かく誘導性を呈すると、極の数は上 側阻止域で下側阻止域に比しはるかに大きい。こ
れから明らかなように、λ/4長結合子のフイルタ では減衰上昇が下側の阻止域で本発明のフイルタ
の場合に比し急峻であり、また上側の阻止域では
緩慢である。 一般にλ/4長結合子のフイルタでは、すべての 並列共振が同じ周波数ω0(中心角周波数)の位置
で生ずる。そこで周波数変換(帯域通過フイル
タ・低域通過フイルタの変換として周知である)
を行なえば、 Ω=ω−ω2/〓/0/ωc−ω20/ωc=ω−26
ω/B 但しω-c・ωc=ω2 0であつて、ω-cは下側帯域縁
で、ωcは上側帯域縁である。λ/4長結合子のフイ ルタの特性はΩ=0を中心にして算術的に対称に
なる。実周波数軸ω>0に対し、 である故、特性はω0を中心にして幾何的対称で
ある。従つて減衰上昇は上側阻止域では下側阻止
域より小さい。しかし多数の使用例では算術的に
対称な阻止特性が必要とされるので(特にパルス
フイルタや信号フイルタなどの場合)、本発明の
フイルタは上記のような基本的傾向の故にこれら
の使用例に極めて適切であるといえる。 搬送周波チヤンネルフイルタとしては、誤差に
よる影響(誤差感度)という点でも本発明のフイ
ルタが優れている。本発明のフイルタ及びλ/4長 の結合子のフイルタのいずれでも、共振周波数の
充分に正確な調整が必要でありまた可能でもあ
る。またいずれの形のフイルタでも、機械的部分
の製造上の不測の影響が結合子に含まれている。
λ/4長の結合子のフイルタの一般的な誤差による 影響の度合は小さい。しかしながらその影響は
ω0の下側及びω0の上側の周波数領域に一様に分
布しており、特に帯域縁で最大になる。これに対
て本発明のフイルタでは、下側帯域縁で極めて安
定である。他方上側帯域縁では、明瞭でしかも
λ/4長結合子のフイルタに比し大きい影響があら われる。ところでCCITT規格によれば、チヤネ
ルフイルタの下側帯域縁では上側帯域縁に比し誤
差敏感特性に関して格段に厳格な要件が課される
ので、従つて本発明のフイルタにはコンパクトな
構成という重要な利点のほかにも、このような利
点が認められる。下側帯域縁は本発明のフイルタ
では主として極めて正確に調整された共振子によ
り規定される。他方ベルナーのフイルタでは、下
側阻止域の多数の極が下側帯域縁での減衰曲線に
影響を及ぼすことになる。これらの極は結合点間
の相等しい正確な長さ例えば正確にλ/4に等しい 長さに依存するので、若干の製造誤差やばらつき
があつても下側帯域縁で減衰曲線に著しい影響を
及ぼすことになるのである。 次に0.65/4λとう数値限定の根拠について説 明する。 搬送周波チヤネルフイルタの通過域に対しては
一般にCCITTの公差規準の1/20が要請される。即 ち、 aW0.11dB=0.0125Np このような減衰量リプルは、フエルトケラーの
公式 e2aW+|r|2=1 に基いて反射関係r≦15.7%に対応している。 本発明の、例えば設計例からも明らかなよう
に、電気的終端回路を有しチエビシエフ特性に従
つて平坦化された動作減衰量リプルaWをもつ非
急峻化フイルタでは、最も内側の機械的結合が最
も弱く従つて最大の結合点間距離を有する。他方
駆動振動子と第1の鋼製振動子との間の結合は最
も強く、従つてすべての結合点間隔のうちで最も
短かい。動作パラメータ理論によれば、最弱結合
kminと最強結合kmaxとの間の比は反射係数r
に対して下記のような関係に立つ; 【表】 kmin/kmaxを小さくするには、kminを小さ
くかつkmaxを大きくすべきである。そのために
はlmaxを大きくし、lminを小さくする必要があ
る。しかしlmax≦λ/4−△であるからlmax=λ/4 −△であるときのlminの最大値が存在するはず
である。ところでメカニカルフイルタのすべての
共振子の実効質量が少なくとも実質上相等しく均
一な結合素子が設けてある場合には、共振子iと
共振子kとの間の結合子の長さlikは、近似的に sin2πlik/λ=1/Kik である。但しλはフイルタの中心周波数における
波長であり、Kikは機械的結合係数である。しか
るとき kmin/kmax=sin2π lmin/λ/sin2π lmin/λ≦
0.850 本発明ではlmax<λ/4である。従つてlmax= λ/4−△とおくと、 sin2π/λlmin/sin2π/λ(λ/4−△)≦0.850 sin2π/λlmin/sin(π/2−2π/λ△)≦0.850 sin2λ/λlmin≦0.850×cos2π/λ△ sin2π(lmin/λ)≦0.850×cos2π/λ△ sin2π(lmin/λ)<0.850 これを解くとrと(lmin/λ)との間の下記の表 (特にlmin/λ=0.162の値)を得る。即ち本発明に のつとり最弱の結合にλ/4より若干(△)短かい 長さを対応づければ、λに関連付けた最短長
lminと反射係数rとの下記のような関係を得る。 【表】 上掲の表で最後に表示されている最短長
lmin/λはλ/4より55.2%だけ短かい。この最後 に表示されている最短長lmin/λの値が、1/20− CCITT―チヤネルフイルタの最強結合を実現し
うる最大の値ということになる。即ちこれ以上の
長さの最短長にすると、もはや1/20−CCITT―チ ヤネルフイルタの最強結合を実現しえない。 λ/4結合子のフイルタでは、結合子は、帯域中 心周波数の2倍周波数でλ/2特性を呈する。従つ てλ/4結合子自体は共振子となつてしまう。そし てすべての結合子は同じ周波数で共振するから、
フイルタの阻止減衰特性に10dBより小さいレベ
ルに達するような深い減衰量の落込みが生ずる。
そしてこのような深い減衰量の落込みは、帯域中
心周波数の偶数倍周波数の位置に常に生ずる。 他方本発明では、 (1) 結合点間の間隔が異なるため、結合子の共振
が従つて減衰量の落込みが分散された周波数位
置で生ずる。例えば阻止減衰量レベルを40dB
より大きい値にすることもできる。 (2) 結合子を短かくすれば、それだけ高い周波数
位置従つて通過域から遠く離れた位置で、減衰
量の落落込みを生ぜしめることができる。ちな
みに長さが零の理想結合子では、無限大の周波
数で減衰量の落込みが生ずる。 このように、35%という値は、以下のような寄
生的な結合子共振の集中的発生を防止ししかも通
過域から遠く離れた周波数位置で結合子共振周波
数を生ぜしめた上で、なお1/20−CCITT―動作減 衰量の要請に応えるための限界値としての意味を
もつことがわかる。 共振子nと共振子n−1との結合係数は、所定
の関数を、共振子nの質量Mnと共振子n−1の
質量Mn−1との積の平方根で割つたものであ
る。そして本発明のように共振子間の間隔がλ/4 より短かいときは、共振子の質量はあまり結合係
数に影響しない。例えば両共振子の質量をそれぞ
れ10%異ならせても、結合係数は1/100の桁の値で しか影響を受けないのである。このように本発明
で共振子の実効質量が少なとも近似的に相等しけ
れば足りる。 また所望のフイルタ通過特性を実現するために
結合点間の間隔を異ならしめた上で、共振子直径
若しくは質量を調整して結合係数の微調整をも行
なうことが可能である。共振子質量は結合係数に
それほど影響しないので、この微調整も手軽に行
なうことができる。 短い結合子とλ/4長結合子との差異 捻り振動子の特性が短い結合子とλ/4結合子と の限界付けにはたして影響するのか、するとした
たらどの程度かについて簡単に述べる。λ/4長の 結合子のフイルタのマトリクス及び短い結合子フ
イルタのマトリクスの導出、特に各個の特性関数
(27),(40)から明らかなように、両フイルタの
違い、即ちフイルタマトリクスの違い若しくは特
性関数の違いはもつぱら結合子マトリクス(22),
(28)の違いによるものである。ちなみにλ/4長の 結合子のフイルタでは結合子は1次近似で周波数
に無関係なインバータである。 他方短い結合子は直列インダクタンスの周波数
特性を呈する。このように両フイルタ又はそのマ
トリクス若しくは特性関数の違いは結合子の違い
のみに関係して共振器の特性には依存しないとい
う事実は、次のような簡単な実例によつても証明
することができる。即ち2つの同じ共振子を互い
に結合する場合(但しその周波数特性をG(ω)
とする)、λ/4結合子のフイルタでは、 短い結合子は いずれの場合にもマトリクス要素A21の零点が
結合子共振を与える。(41)から明らかなように、 1/Z−ZG2(ω)=O若しくはG(ω)=±1/Z であるから、結合子共振は振動子共振G(ω)=O
と一致しない。他方短かい結合子(42)の場合に
は、G(ω)・(2−ωLG(ω))=O であるから、結合子共振と振動子の固有共振とが
一致する。共振子の周波数特性G(ω)について
は何の仮定も設けなかつたから、以上の差異はご
く一般的なものである。換言すれば、2つの結合
形式(λ/4長のものと短かいもの)の差異はもつ ぱら結合子の特性自体に基くものである。無論フ
イルタの設計では、共振子の特性は設計公式中に
含まれている。例えば2つの鋼板を互いに連結す
る場合、ねじ又はリベツトで連結することができ
るが、いずれの場合にも連結部材の具体的設計値
(即ち太さ及び長さ)は鋼板の寸法により定まる。
しかしこれはねじ接合とリベツト接合との違いに
何等影響するものではない。 結合子の特性の違いは以上のように短い結合子
とλ/4結合子との間で瀝然としている(特に式 (41)と(42))。捻り共振子のアミドタンス特性
(マトリクス(16))は、帯域幅の周波数位置が
100kHzより上側にあるため相対的帯域幅が小さ
い(<3.4%)フイルタの場合、電気的等価回路
としては並列回路により充分正確に表示される
(マトリクス(17))。この並列回路の共振周波数
は振動子の共振回路に一致し、従つて式(12)に基い
て材料の定数のほかに振動子の長さにのみ依存す
る。容量は振動子質量(式(15))に対応する。
即ち振動子の長さがあらかじめ定つている場合に
は振動子の横断面積に対応する。 一般的な結合子のマトリクス(1)ではマトリクス
要素 a12=jZ sin2πx/λ は結合子を定めるフアクタである。xλ/4に対 しては式(4)を用いれば、 になる。ところでx≪1に対しては a12=jωx/AE (短い結合子) である。 共振子の特徴的アドミタンスはこのようにして
その分子に横断面積を含み、結合子リアクタンス
a12は分母に横断面積を含む。従つてフイルタの
すべての長さを維持したままですべての横断面積
(振動子、結合子、変換器セラミツク)を(q+
1)倍すると、すべてのフイルタ特性は入力アド
ミタンスを除き不変である。そして入力アドミタ
ンスはこれにより(1+q)倍増大する。 信号源インピーダンス及び負荷インピーダンス
を1/(q+1)倍すれば、フイルタの動作特性は不 変である。換言すればフイルタ特性は長さにより
定まり、インピーダンスレベルは直径に依存する
という結論になる。しかるとき、本発明にとつて
結合子の長さのみが重要であることがわかる。 本発明の実施例による急峻化フイルタ の冒頭で、前掲AEU¨のフイルタと直接対比
しうるようにするには本発明のフイルタがどのよ
うに構成されていなければならないかについて説
明した。このようにして構成された本発明のフイ
ルタの等価回路を第3図に示しておいた。 フイルタ全体のマトリクスは、の場合と同じ
要領で導出できる。ただ結合子マトリクスKij
した(22)の代わりに(28)を使用するだけであ
る。マトリクス(23)のマトリクス要素として u11=1−L23C3(ω2−ω2 3)−(L23+L34)・C4
ω2−ω2 4)+L23L34C3C4(ω2−ω2 3)(ω2−ω2 4) u12=ω{L23+L34+L45−L23(L34+L45)・C3(ω2
−ω2 3)−L45(L23+L34) ・C4(ω2−ω2 4)+L23L34L45C3C4(ω2−ω2 3)(ω2
−ω2 4)} u21=1/ω{C3(ω2−ω2 3)+C4(ω2−ω2 4)−L34
C3C4(ω2−ω2 3)(ω2−ω2 4)} u22=1−(L34+L45)・C3(ω2−ω2 3)−L45C4
ω2−ω2 4)+L34L45C3C4(ω2−ω2 3)(ω2−ω2 4) 但し橋絡結合では、結合子マトリクス(28)に
対しもう1つの位相反転が挿入されていることを
注意しなければならない。即ち マトリクスK58 の形も(30)によく似ている。
マトリクス(24)のマトリクス要素は v=ωL25−u12 v11=ωL25u11+u12 v12=ωL25u12 v21=(ωL25−u12)u21 −(1+u11)(1+u22) v22=ωL25u22+u12 である。減衰極はv=0のトリビアルでない零点
から導出される。即ち v=ω{L25−L23−L34−L45+L23C3(L34+L45)(
ω2−ω2 3) +L45C4(L23+L34)(ω2−ω2 4)−L23L34L45C3C
4(ω2−ω2 3)(ω2−ω2 4)}=0 マトリクス(26)と比較すれば、多項式G(p)
の構造のみが に変わり、従つて特性関数は となる。 式(40)から、本発明の上記実施例のフイルタ
は、零周波数に1次の極を有し、無限周波数に11
次の極を有し、有限周波数に4つの極を有するこ
とがわかる。従つつて前掲AEU¨のフイルタの
(27)と比較すると、本発明の上記実施例のフイ
ルタは上側阻止域で減衰曲線の急峻な上昇を呈し
下側阻止域で減衰曲線の平坦な上昇を呈する結果
となる。 特にマトリクス(26)のところで説明した設計
基準に従つた動作パラメータの最適化方法によつ
て、終端インピーダンスで正規化された等価回路
は次のように与えられる; 【表】 この等価回路の機械的設計は既述の要領で行な
われる。即ちサーモエラストの伝搬速度によつて
共振子長が規定される。いずれかの共振子直径の
選定によつて、電気機械的アナロジー係数が規定
される。既述の場合と比較して考慮すべき唯一の
違いは、橋絡結合子の長さが主結合子li,i+1
の設計値によつて規定される点である。ところで l1=l91.2cm li=0.727〜0.730cm,i=2,3〜8なお駆動
振動子の正確な長さは、使用される圧電セラミツ
クに依存する。しかしこれは本発明とは直接関係
がない。 第2共振子の直径を0.25に選定すれば、 m2=0.287g そしてアナロジー係数は q=2819g/F である。駆動振動子の質量m1=m9=0.144gであ
れば、任意の形状に形成可能な駆動振動子の横断
面は、 A1=A9=0.015cm2 になる。結合子については lij/Aij=6.13×108×Lij である。 結合子の太さを0.016cmに設定すれば、主結合
子に対しては li,i+1=1.233×105×Li,i+1 である。その結果次のようになる。 l12=l89=0.234cm l23=0.342cm l56=0.371cm l34=0.268cm l67=0.292cm l45=0.385cm l78=0.332cm 最長の結合子の長さl45も<λ/5である。橋
絡結合子の長さは l25=l23+l34+l45=0.995cm l58=l56+l67+l78=0.994cm になる。橋絡結合子の長さはλ/4<lij<λ/2であ る。その直径は線路伝送理論に基いて決定されな
ければならない。結合を規定するマトリクス要素
は既述のようにjZ・sin2πx/λである。xにはl25若 しくはl58を代入し、λには帯域中心周波数n
198100Hzにおける波長を代入する。 λ=vk/n=4.65×105/198100=2.35cm Z=Aijρvkであるから、アナロジー係数qを
用いて 2πnLij =q/Aijρvksin2πlij/λ とすることができ、従つて Aij=q/2πnρvk sin2πlij/λ/Lij =6.088×1010sin2.674×lij/Lij である。即ち A25=3.33×10-5cm2→φ25=6.51×10-3cm A58=2.17×10-5cm2→φ58=5.26×10-3cm 第8図はフイルタの動作減衰量を示す。このフ
イルタの全長は4.9cmであり、対応するλ/4長の結 合子ののフイルタの全長より著しく短かい。周波
数が低くななればなる程(例えば100kHz)、この
利点はそれだけ顕著になる。λ/4長の結合子をも つたフイルタではすべての長さの設計値が中心周
波数に反比例して増大し、他方本発明のフイルタ
では駆動振動子の長さの設計値のみが中心周波数
に反比例て増大するからである。無論本発明のフ
イルタで捻り振動子の長さも増大するが、捻り振
動子はフイルタの長軸線に対し横方向に延在して
いるのでフイルタの長さには関係しない。 一方の側でのみ急峻化する必要がある場合、即
ち下側の阻止域及び上側の阻止域のいずれか一方
でのみ減衰極を形成する必要がある場合、短い結
合子のフイルタの他の利点しかも本質的な利点が
得られる。短い結合子では、奇数の共振子を飛び
越して橋絡結合する。(通常は1つの共振子を飛
び越して橋絡結合する)場合に減衰極が生ずる。
橋絡結合子の位相状態により、極が上側の阻止域
及び下側の阻止域のいずれで生ずるかが定まる。
λ/4結合子の捻り共振子では、このようなことは 不可能である。橋絡結合子がλ/2であり従つてそ れ自体が共振子になつてしまうからである。これ
は前掲AEU¨(第1図及び第2図)にも正確に理由
付けされている。回避措置(いずれにしても技術
的に多少とも問題であるが)は、前掲AEU¨でも
つぱら上掲論文で取り扱われているフイルタの形
式による縦波フイルタに対してのみ与えられてお
り、捻り振動子を有するフイルタには与えられて
いない。 搬送系では、前掲AEU¨のフイルタには、帯域
中心周波数の2倍周波数の位置に生ずる減衰量の
鋭い落ち込みをカバーするために、付加的な低域
通過域フイルタが必要である。前掲AEU¨のフイ
ルタでは、すべての共振子がオーバトーンで振動
し、この周波数ですべての結合子はλ/2長を有し 橋絡結合子は3/2λ長であり、従つてすべての結 合子及び橋絡結合子は共振子である。その結果数
デシベルまでの減衰量の落ち込みが生ずる。 他方一般に減衰量は搬送系からの要請に基き
40dBより大きい値でなければならない。 上述のように本発明の実施例によるフイルタは
各共振子の距離をできるだけ狭くすることにより
全長をできるだけ小さくできるにもかかわらず、
所望のフイルタ特性に調整することができる。付
加的結合子により、必要な場合には、フイルタ特
性の極を得ることができ、その結果共振子の数を
できるだけ少なくできる。更に共振子は個々に保
持されているで、共振子間の必要な結合は、製造
誤差により支持線11が正確には振動節に係合せ
ず、従つて共振子の振動現象に若干関与する場合
でも、無効にされるおそれはない(支持装置によ
り共振子を完全な減結合状態で支持できる)。そ
の結果生ずる共振子の共振子の共振周波数の偏差
は調整の際共振器において容易に調整せしめられ
る。更に支持板10は支持線11に比し質量が大
きいので、そこに到達する振動は実際上伝送され
ず、従つて最初に調整された結合が維持される。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention provides that each terminal resonator is connected to an electromechanical converter that converts electrical vibration into mechanical vibration or mechanical vibration into electrical vibration, and all torsional resonators perform longitudinal vibration. and directly adjacent torsional resonators that are connected to each other via coupling lines (coupler) configured as through lines with the same cross section over their entire length or that are present in individual filter subsections and are directly adjacent to each other are connected to each other in each section. are coupled to each other via associated section coupling lines (coupler) which carry out longitudinal oscillation and have the same cross section over their entire length, and the coupling lines or section coupling lines are arranged perpendicularly to the longitudinal axis of the resonator. The resonators are connected to each other at each coupling point, and the effective masses of the resonators are substantially equal, and the degrees of coupling between each resonator are selected in various ways in order to obtain predetermined filter passage characteristics. The present invention relates to a mechanical filter having a plurality of torsional resonators arranged in a mechanical filter. As is well known, electromechanical filters have become important in recent communications technology for the following reasons. In other words, electromechanical filters have a series of advantages over filters with lumped constant circuit elements in the appropriate frequency range, such as a large Q of each resonator, a small area required for the filter, and low temperature dependence. This is because it has. Various mechanical vibration modes can be used when constructing such a filter,
Among them, a combination of torsional vibration of a resonator and longitudinal vibration of a coupler is particularly performed. In this connection, the magazine “Archef der Electriquesien”
Übertlagung' (AEU¨), Volume 17, 1963
March 2013, pp. 103-107, the torsional resonators arranged parallel to each other's axes in such a filter are connected to each other via a coupler that vibrates longitudinally, and the distance between the coupling points of directly adjacent resonators is It is already known to set the wavelength to 1/4 of the wavelength generated in the coupler. When such a filter is designed using the so-called operating parameter theory, the degree of coupling between adjacent resonators must be set to various values in order to obtain a predetermined filter passage characteristic, such as a maximum flatness characteristic or a Tievisiev characteristic. This can be done by using connectors with different diameters in each section, or by making the masses of the resonators different when using connectors of the same size in each section (this is a well-known method). (In a filter, this is produced by providing vertical holes in several resonators)
achieved. In some cases, adjacent resonators may be
A separate connection with additional connectors is also possible, as is known, for example, from DE 11 47 335 A1. However, such a filter configuration has various diameters in each filter section in order to provide various degrees of coupling between each resonator and obtain a predetermined filter passage characteristic, for example, a maximum flatness characteristic is a Thievishev characteristic. If couplings are provided, or if couplings of the same size are used, several resonators must be provided with perforations with relatively precise tolerances, or if resonators with the same mass are used. Since at least one additional connector must be provided for directly connecting adjacent connectors, additional manufacturing measures are required. Furthermore, the arithmetic symmetry of the blocking damping edges is not very good in filters with connectors of length λ/4. Also, based on the error sensitivity distribution, the influence of errors on the lower band edge cannot be ignored. Furthermore, sub-resonance in the stop band caused by torsional resonance of the coupler occurs intensively near the pass band, resulting in a sharp drop in the amount of attenuation. The basic object of the present invention is to provide various degrees of coupling between each resonator and to obtain the desired filter passage characteristics without the need for additional manufacturing measures such as those described above, and without the need for a blocking damping edge. The symmetry is good, the effect of errors on the lower band edge is negligible, and in addition, the subresonance in the stopband caused by the torsional resonance of the coupler is kept far from the passband, thereby eliminating the drawbacks of the prior art. The purpose of the present invention is to provide a mechanical filter that eliminates the According to the present invention, this problem is solved as follows. That is, the spacing between adjacent coupling points between each resonator gradually increases from both end resonators provided on both sides of the filter toward the center of the filter, and in this case, the spacing between the adjacent coupling points The maximum spacing is less than 1/4 of the wavelength λ in the driven state, and the minimum spacing is at least less than 1/4 of the wavelength λ in the driven state.
This is solved by setting it shorter by 35%. In the present invention, the spacing between adjacent coupling points between each resonator is gradually increased from both end resonators provided on both sides of the filter toward the center of the filter, that is, a symmetrical filter. For the first time, additional manufacturing technology measures such as those described above are not required in order to provide various degrees of coupling between each resonator and achieve a predetermined filter pass characteristic, that is, a good flat characteristic in the pass band of the filter. Moreover, the symmetry of the stop-attenuation edge is good, so that the influence of errors on the lower band edge can be ignored, and in addition, the sub-resonance in the stop band caused by the torsional resonance of the coupler is far away from the pass band. The remarkable effect of eliminating the drawbacks of the prior art can be achieved. In other words, in a non-steep mechanical filter, in order to achieve good flatness characteristics in the passband of the filter, the degree of coupling must be strongest at both ends of the filter, and the degree of coupling must be weakest at the center of the filter. This is achieved by the specific features specified in the claims of the invention, namely by the symmetrical filter specific to the invention. Thus, the introduction of symmetry provides significant advantages for any symmetrical arrangement of filters. In other words, in the case of a mechanical filter, exactly the same number of resonators and couplers is required, but the inherent symmetry also depends on the theoretical filter design, i.e. on the characteristic function of the filter. The specific symmetrical configuration of the electromechanical filter according to the invention therefore allows the above-mentioned special effects to be achieved. With the configuration of the present invention, not only the above problems can be solved, but also the overall length can be significantly shortened. By the way, in a filter with a coupler having a length of λ/4, the length of each coupler is predefined as λ/4, so the minimum configuration length is determined by the number of resonators.
It cannot be shortened. Due to the configuration of the present invention, unlike the case of a λ/4 length coupler, the coupler acts as an inductance between all resonators in the passband of the filter (ie at the operating frequency), as will be explained later. Furthermore, since the distance between the coupling points is shorter than in the conventional case (λ/4), a drop in the attenuation can be caused at a position far away from the passband. With the configuration of the present invention, the coupling coefficient can be set variously by setting the distance between the coupling points variously. In the present invention, the desired pass characteristics of the filter and the desired allowable ripple of the attenuation curve in the pass band can be satisfactorily achieved by combining the distances between the coupling points. In other words, there is no need for the above-mentioned additional manufacturing technology measures in order to obtain various degrees of coupling between the resonators. In addition, in the present invention, since the spacing between the coupling points is different, the resonance of the coupler and therefore the drop in attenuation does not occur concentratedly as in the prior art. It is also possible to set it to a larger value. Due to the configuration of the present invention, the tolerance standard of CCITT is 1/20
can respond to the requests of Moreover, the resonance of the coupler will occur at more distant frequency locations. Also, in the present invention, the minimum spacing is set to be at least 35% shorter than λ/4. If the maximum spacing between the bonding points is reduced to 65% of λ/4 or less, the remaining spacing will necessarily be less than 65% of λ/4, and with known dimensioning (i.e. the connector length The total length of the filter can be further shortened compared to the case where λ/4 is selected. However, the filter should be configured so that its overall length is as small as possible, and the minimum spacing (see Figure 5a)
1) must be made larger than the sum of the radii of both resonators to prevent contact between the two resonators. Also,
The diameter of each resonator cannot be arbitrarily selected to be small. This is because this would result in undesirable disturbance-related vibrations in the filter. Fundamental Theory of Longitudinal Connectors C. Cruz, “Report from Leipzig, 1959.
Natsuharichten Technique No. 11 describes the process of deriving the F matrix of an acoustic line.
Based on this, the derivation of the F matrix of the acoustic line will be briefly explained below. In the above paper, for a mechanical longitudinal vibration line, δ P / δ x = ρFδ V / δ t (K-3a) δ V / δ x = α/F δ P / δ t (K-3b) The partial differential equation for is derived. However, P is force, V is velocity, ρ is the density of the material of the line, and α is 1/E (E is the elastic modulus). Further, F is the cross-sectional area of the track. Formula (K-3a), (K-3b)
is compared with the equations δ Ux =L′δ It (K-9a) and δ Ix = C′δ Ut (K-9b), which are well known from line transmission theory. Of the two possible and equivalent correspondences I∧ = P and U∧ = V (K-10) and U∧ = P and I∧ = V (K-11), the above paper deals with (K-11). using the formula. Note that ∧ = indicates an equivalent relationship.
When using the formula (K-11), L′∧ = ρF (K-12) C′∧ = α/F (K-13), and therefore the characteristic impedance is Z=√′′∧ = F √ The wave propagation speed is It is. By the way, λ=vo/f (K-14). Also, among the solutions of equations (K-9a) and (K-9b), when finding the solution in the stable state after the transient phenomenon, U 1 = U 2 cos2π x /λ+I 2 Zj sin2π x /λ I 1 = U 2 / Zj sin2π x /λ+I 2 cos2π x /λ. If you display this as a matrix It is. If we set 2π x /λ=b becomes. If formula (K-10) is used instead of formula (K-11), formula (K-12) and (K-13) can be replaced by formula
We obtain (2) and (3). L'∧ = α/F (2) C'∧ = ρF (3) When formula (K-10) is used, the equivalent circuit becomes dual to the case when formula (K-11) is used. In other words, resistance becomes conductance. The characteristic impedance is It is. vo is the same as when using formula (K-11). If we follow international convention and denote the cross-sectional area by A (instead of F) and use the elastic modulus E=1/α in place of α, the characteristic impedance in equation (4) becomes Zk -1 = A(Eρ ) becomes 1/2 . Next, add the formula (K-14) to the matrix of (1).
By substituting vo/f or 2π vp /ω, further substituting [Formula] or [Formula] as vo, and using length l instead of x, the phase amount b b = ωl (ρ/E) 1/ Get 2 . In this way, the F matrix of the connector get. However, A is the cross-sectional area of the connector, E is the elastic modulus, and ρ
When is the density, Zk=1/A(E〓) 1/2 . Also, when l is the length of the connector and ω is the angular frequency, b=
ωl(ρ/E) 1/2 . Derivation of the F-matrix of a torsion oscillator The filter structure treated in the above paper is a cascade-connected line section in which each line section exchanges energy with an adjacent line section at both its starting and terminal ends. be. The vibration modes and vibration directions of all track sections are the same. For these reasons, the individual line sections act as a four-terminal network (in contrast, the mechanical filter of the invention consists of resonators and couplers with different vibration modes and vibration directions). Energy exchange occurs exclusively at the attachment point of the connector. Therefore, if a single continuous line coupler is provided in which the individual resonators are in contact at only one point, the resonators will act as a two-terminal network. If there is a coupler located symmetrically with respect to the vibration node of the resonator (for example, 9, 9' in Fig. 5 or the above-mentioned AEU - Fig. 1, 3),
Based on the symmetry, the resonator follows the same principle and also works as a two-terminal network (Fig. 5). According to AEU¨ mentioned above, the F matrix of the resonator is It is. However, the relative detuning degree of the frequency is =2Δf/fo (B-3). This is a well-known approximation for small bandwidths (Δf<<fo). The exact formula is directly derived from the torsional vibration formula in the above-mentioned paper. matrix
(1) holds true not only for longitudinal waves but also for torsion. This is because it is only necessary to base the rotational motion equivalent relations instead of the translational motion equivalent relations (K-10) and (K-11). If M is a moment, r is an angular velocity, m is a mass, and I p is a two-dimensional moment of inertia, then from page 491 of the above paper, δ M / δ x = ρI p δ r / δ t δ r / δ x = δ /I p 2 (1+1/m) δ Mt Looking at the analogy with the transmission line again, I∧ = M and U∧ = r (K-10). In the case of a longitudinal vibration line, use the same procedure as (2) and (3) to obtain L'=α/I p・2 (1+1/m) (5) C'=ρI p (6). From these, the characteristic impedance in the case of torsional vibration is become. Then, if we use elastic coefficient E=1/α instead of α and Poisson number μ=1/m instead of m, we get Equation (8) is an equation often seen in literature. However, G is a slip coefficient. The propagation speed vo is That is, the phase amount b is The resonator has a movable free end and is therefore a line of moment O. If there is no moment at all ends (ie even at the beginning of the line), resonance will occur. Applied to matrix (1), this has the following implications for the equivalent circuit; i.e., the equation (K−
10), when the resonator is unloaded on the output side (I 2 =O), its input admittance Yo (where Yo is the rotational input admittance and Yt is the translational input admittance). It is characterized by: The resonance condition is
Because Yo=O If we denote the first natural resonance frequency (ν=1) by ωo, then Substituting equation (12) into equation (11), Yo=j/Ztanπω/ωo (13) For torsional resonators that are coupled in the connection region (as is the case in the embodiment of Fig. 5), the coupler is A force P and velocity V are transmitted to the resonator, and the force P and velocity V are converted into a moment M and an angular velocity r at the ends of the resonator. In this case, the lever arm is 1/2 (=D/2) of the resonator diameter. First, obtain the rotational motion input admittance Yo=M/r. Since M=PD/2 and r=V/D/2, Yo=PD/2/2V/D Therefore, Yo=P/V·D 2 /4. P/V is the translational input admittance Yt. As a result, Yo=Yt・D 2 /4 From equation (13), Yt=j4/ZD 2 tanπω/ωo. Furthermore, from equations (8), (12) and the table in the above paper, Yt=jD 2 ρlω p /8tanπω/ω p = jmω p /2πtanπω/ω p (14) D 2 ρlω p =D 2 ρπ √G/ρ... According to equation (12). =D 2 π√ =D 2 π/Z・I p ... According to formula (8). =32/D 4 π・D 2 π/Z=32/ZD 2 ... According to the table above. However, m is the mass. Substituting f=ω/2π and f=f p +△ f gives the matrix element of (B-2)
get a21. Yt=jω pn /2πtanπ△f/fo Ytjω pn /4・2△f/fo However, ∧ =2△f/fo, Z∧ =4/ω pnThe resonator connected to the coupler only at one end has a force -According to the current equivalence relationship (K-10), since it works as a two-terminal network of parallel branch paths, the other matrix elements a11, a22, a12 become a11=a22=1, a12=O. The velocities to the left of the connection point are equal. On the other hand, the force of the incoming coupler is partially applied to the resonator and partially absorbed directly by the outgoing coupler. The approximation used in AEU¨ above is sufficient for the analysis of narrow filters with λ/4 length connectors. This is because the coupler is almost frequency independent. This essentially means bandpass filter/lowpass filter conversion. In the bandpass filter/lowpass filter conversion, the resonator is reduced to a parallel capacitance. In the case of more general couplers (e.g. short couplers) or wide bandwidths, the equivalent circuit of the resonator becomes a parallel circuit with the conductance YE YE=jCoω 2 −ωo 2 /ω. The equivalent capacitance Co is determined by matching the steepness dYE/dω of the electrical equivalent circuit to the steepness dYt/dω of the mechanical admittance during resonance. That is, j・C p ω 22 p2 |〓 =p ∧ = j・m/2 (1+tan 2 πω/ω p ) |〓 =pHowever , C p ∧ = m/4 (15) This In this way, the F matrix element becomes a 11 =1 a 12 =O a 21 =j·ω p ·m/2π·tanπ·Δf/f p a 22 =1. Therefore, the F matrix is becomes. Also, the F matrix of the electrical equivalent circuit is However, C p ∧ = m/4 The equivalent circuit of a filter with a λ/4-length connector, a 4-terminal matrix, and an attenuation curve (note that in a filter with a λ/4-length connector, the spacing between the coupling points is all λ /4 length, and a filter with short connectors means one in which the spacing between the connecting points is all shorter than λ/4.) Below, the explanation will be based on the above-mentioned AEU.
In the AEU mentioned above, the mechanical part of the filter is designed using image parameter theory. Through the frequency conversion (or frequency approximation, which is the same thing after all), a low-pass filter is approximately constructed from a band-pass filter. Above
AEU¨ is limited to the design of the filter section from the first steel oscillator to the last steel oscillator. Therefore, it is almost impossible to completely understand numerically the filter described in AEU¨ above. In the above-mentioned AEU¨, material values are not presented, and there is only a rough agreement between the design values and what is actually constructed, so the equivalent circuit is extremely inaccurate or cannot be overlooked. A configuration error has occurred. In particular, this
AEU¨Minimum value of blocking attenuation in Fig. 11 7.8Np,
This becomes clear by comparing 7.6Np, 6.7Np, 7.7p with the design minimum values 7.2Np, 7.1Np, 7.1Np, 7.2Np, which are shown as symmetrically distributed in Figure 8. It is. Therefore, in terms of circuit type, center frequency, bandwidth, and blocking characteristics, this filter is not similar to the above-mentioned AEU¨. Using a piezoelectric transducer, we propose an optimized filter design based on operating parameter theory, including the operation of the piezoelectric transducer. It is assumed that the constituent elements of this filter include a resonator, a λ/4 length coupler, and a longitudinal drive vibrator. The matrix (17) is applied to the resonator. The inverter matrix of Equation (4) of AEU described above is applied to the connector with good approximation. On the other hand, a simplified equivalent circuit is obtained for the converter as shown in FIG. 1a. The dual force/current analogy is, as is well known, the first
F matrix based on figure b A unit inverter with static capacitance Co
This is achieved by inserting it between the LC resonant circuit and the LC resonant circuit. In this case, C 1 =L, L 1 =C. C 1 and
The parallel circuit of L 1 displays purely mechanical properties.
When using a longitudinal vibrator as a driving vibrator, C 1 ∧ = m/2 (18). In this way, an equivalent circuit (FIG. 2) normalized by the signal source impedance and the terminal impedance is obtained. In FIG. 2, circuit parts indicated by 1 and 9 indicate drive vibrators, and 2 to 8 indicate torsional vibrators. Inverters I 12 to I 89 represent λ/4 length connectors. Further, I 25 and I 58 are bridging connectors having a length of 3λ/4. Co and C 10 are the static capacitances of the transducer ceramic. The unit inverters I p , I 10 take into account the force-current analogy. To derive the 4-terminal matrix for the entire filter, the following individual matrices are required. In addition, the matrix of λ/4 long combinators is However, in the case of a λ/4 length connector, Zij is assigned as a positive value, and in the case of a 3/4 length connector, Zij is assigned as a negative value. In AEU¨ mentioned above, Berner assumes that all Ci and ωi are values given a priori. Therefore matrix (21)
is becoming more common. The matrix of the two cascaded sections under the bridging connection is as shown above.
As explained in AEU¨, it is obtained by multiplication of individual matrices. U = K 23 * T 3 * K 34 * T 4 * K 45 and U = K 56 * T 6 * K 67 * T 7 * K 78 Matrix U = However, u 11 = C 3 ω 2 − ω 2 / 3 / ω Z 23 Z 34 / Z 45 u 12 = Z 23 Z 34 Z 45 (C 3 C 42ω 2 / 3 ) / ω 2 −1 A matrix similar to this can be obtained for /Z 2 / 34 u 21 = −Z 23 /Z 23 Z 45 u 22 = C 4 ω 2 −ω 2 / 4 /ω Z 34 Z 45 /Z 23 U〓 . Considering the parallel connection with the corresponding bridging coupling, the following matrix is obtained. When V〓 = U〓K 25 and V〓 = U〓K 58 V〓 are expressed in a matrix, However, v=1−Z 23 Z 45 /Z 25 Z 34 (1−C 3 C 4 Z 2 342 −ω 2 / 3 ) (ω 2 −ω 2 / 4 )/
ω 2 v 11 = u 11 v 12 = u 12 v 22 = u 22 v 21 = Z 23 Z 34 Z 45 / Z 2 / 25 (C 3 C 42 −ω 2 / 3 ) (ω 2 − ω 2/4 ) / ω2-1
/Z 2 / 34 ) +2 / Z 25 −Z 34 /Z 33 Substitute C 3 = C 4 , ω 3 = ω 4 (because they are the same resonator) into the Z 45 matrix (24), and further calculate V = ω 2 − Substituting ω 2 / 3 ) / ω (band pass filter/low pass filter conversion), C 3 Z 23 = K -1 12 , C 3 Z 34 = K -1 23 , C 3 Z 45 = K - 1 34 , C 3 ,
By substituting Z 25 =−K −1 14 (normalization), equations (8) to (11) of AEU¨ above are obtained. Thus, the matrix of the entire filter is A = W 1 * K 12 * T 2 * V〓 * T 5 * V〓 * T 8 * K 89 *
W 9 (25), (the elements of this matrix are the frequencies P=jω
), in general It becomes the shape of In addition It is. However, ω 1 to ω 4 indicate four attenuation poles formed by both bridge connectors. The values of the attenuation poles are obtained from the zeros of the individual matrices V〓 and the denominator of V〓 . In the case of V〓, this is the v of matrix (24)
It is. A similar matrix exists in the individual matrix V〓 . If Z 25 >O, attenuation poles occur at complex frequencies. Coefficient g2ν (1) , g2ν (2) , U2ν (1)

U2ν (2) is the linear combination of the filter's circuit elements. A computer is used for actual calculation. Mechanical filters are usually designed with source impedance symmetry (symmetrical matrix). In this case G 1 = G 2
and the characteristic function is That is, this filter has a fifth-order pole at the zero frequency position, a seventh-order pole at the infinite frequency position, and four poles at the finite frequency position. Like the AEU filter mentioned above, the band edge is 196407
Hz, 199807Hz, minimum value of blocking attenuation is 62.5dB,
61.7dB, 61.7dB, 62.5dB, and if the reflection coefficient flattened by Tievisiev in the passband is 10%, the circuit constants of the circuit in Figure 2 are as follows normalized by the termination impedance and fN = 100kHz. get value [Table] If these are converted into coupling coefficients using Equation (12) of AEU¨ mentioned above, the following [Table] is obtained as a percentage. These values are listed above in parentheses.
It is of the same order of magnitude as the value for the AEU¨ filter. The difference from the numerical values for the AEU¨ filter listed above in parentheses is that in the AEU¨ listed above, the converter is not included when designing the filter, and the design method relies on image parameter theory. On the other hand, the filter design method described here relies on operating parameter theory. However, since the drive vibration operation, which was ignored in AEU¨ above, is indicated by 1 and 9, the index used here is the same as AEU¨ above.
1 larger than in the case of . The corresponding decay curve is aB=10log(1+|k(p)| 2 ) from the characteristic function K(p), which is plotted in FIG. The length of the filter is 3λ, i.e. λ/4 (coupler length) x 8 + 2 x λ/
2 (drive vibrator). If thermo-elastomer is used as the material, the length is 70 mm. Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. In the embodiment of FIG. 5, there are seven torsional resonators 1 to 7.
An electromechanical filter is shown, each torsional resonator being coupled to one another via a coupler 9, 9'. In some cases, only one coupling, for example coupling 9, is sufficient to provide a sufficient coupling between each torsional resonator, or if each coupling line is thin, two further couplings are provided below the resonators. It is also possible to provide a completely symmetrical configuration. The coupler 9 is further led out from the termination resonator 1, 7 and connected to an electromechanical transducer 8, 8'. converter 8,
8' must be constructed in such a way that the electrical vibrations occurring therein can be converted into mechanical longitudinal vibrations, so that the connector 9 undergoes longitudinal vibrations as indicated by arrow 19. Electromechanical transducers that meet these conditions are known and can be constructed from, for example, a longitudinal resonator. This point will not be discussed in detail here as any suitable conversion element can be used. The only thing to be noted is that, for example, the electromechanical converter 8 converts electrical vibrations into mechanical longitudinal vibrations, which are converted back into electric vibrations in the electromechanical converter 8'. Each of the torsional resonators 1 to 7 is composed of a cylindrical body and arranged so that their longitudinal axes are parallel to each other. Each coupler 9, 9' is provided perpendicularly to the longitudinal axis of the resonator, and is firmly coupled to the resonator at respective coupling points 21-27 provided on the outer periphery of the resonator 1-7.
When the resonator and the coupling element are formed from metal materials, it is preferable to couple them together by welding. As is well known, in a torsional resonator, vibration nodes are formed along the central plane. That is, the resonator does not actually make any movement at this location. A support line 11 moored to the support plate 10 engages with this location. In particular, if such a support line is provided for each resonator 1 to 7, and if necessary a further support plate is provided below the filter, all resonators can be supported or suspended on both sides. It is preferable to use a filter case or a substrate as the support plate 10. It is best to keep the length of the support wire 11 as short as possible.
This allows the height of the filter to be only slightly larger than the diameter of the resonator. In this case, care must be taken to ensure that the torsional resonators 1 to 7 can vibrate freely together with the couplers 9, 9'. In this embodiment, when the resonator 1 is made torsionally vibrate along the vibration direction indicated by the arrow 20 by the electromechanical transducer 8 formed as an input side transducer, this torsional vibration is caused vertically in the couplers 9, 9'. Causes vibration. This longitudinal vibration similarly causes the resonators 2 to 7 to vibrate torsionally, and eventually the mechanical vibrations are converted back into electrical vibrations in the electromechanical transducer 8'. As is well known, the frequency position of the passband of the electromechanical filter of FIG. It depends on the The filter passing characteristics including the bandwidth are related to the coupling strength between the resonators, and depending on the degree of coupling, arbitrary filter passing characteristics can be obtained, such as a maximum flat amplitude characteristic or a Tievishev-like damping characteristic. On the one hand, the coupling strength is
on the other hand, by the distance b between the coupling elements 9, 9' and the vibration nodes. This is because as the distance b increases, the coupling element 9 reaches a relatively large range of vibration amplitudes, so that the coupling is increased. In addition to this method of predefining dimensions to be constant, the bonding strength is also defined by the distance between adjacent bonding points. In the embodiment shown in FIG. 5, the distance between adjacent coupling points increases toward the center of the filter. That is, the distance a1 is set between the connecting points 21 and 22 to 26 and 27, the distance a2 is set between the connecting points 22 and 23 and 25 and 26, and the distance a2 is set between the connecting points 23 and 24 and 24 and 25.
There is a distance a3 between each. In the embodiment shown in FIG. 5, a3 is the maximum distance between adjacent resonators, and a2 and a1 are smaller than a3.
Further, a2 is larger than a1. In the present invention, at least a1 is shorter than 65% of λ/4. As an embodiment of the present invention, not only a1 but also a2 can be made shorter than 65% of λ/4. Furthermore, all of a1 to a3 can be made shorter than 65% of λ/4. However, in terms of operating parameter design theory, it is clear that the minimum distance between two adjacent coupling points (distance a1 in the example) must be large enough to prevent resonators 1 and 2 from coming into contact with each other when vibration occurs. It is. As mentioned above, grading the coupling strength, ie, selecting various coupling strengths of adjacent resonators, is always necessary in order to obtain predetermined filter characteristics, for example, in a filter calculated by operating parameter theory. Particularly required is a filter characteristic with a maximum flatness characteristic or a Tievisiev characteristic, in which all maxima generally have the same magnitude with respect to the attenuation or reflection coefficient. Equivalent circuit and 4-terminal matrix of the filter of the embodiment shown in FIG. Fifth
The filter of the illustrated embodiment cannot be compared with that of the AEU described above. This is because the filter of AEU¨ mentioned above (see Fig. 2) is steepened by bridging connectors I 25 and I 58 , whereas the filter of the embodiment shown in Fig. 5 does not have bridging connectors. This is because the attenuation rises monotonically. Therefore, formulas (5) to (23) of AEU¨ above
cannot be directly applied to the filter in Figure 5. Therefore, first we will consider the filter of the embodiment shown in FIG. 5, and then we will discuss embodiments of the filter that can be compared with the filter of the above-mentioned AEU. (A) λ/4 coupler If the length of the coupler is selected so that the resonance of the coupler occurs at twice the operating frequency ω p , then or Therefore, from b=π/2 ω/ω p , the F matrix (1) takes the form of an inverter matrix or an ideal connector matrix for ω=ω p . The matrix component that has a decisive meaning for the connection is jZk sinπω/2ω p . (B) Short coupler If the operating frequency ω p is far below the resonant frequency corresponding to the length l, then b << 1, so sin bb cos b1−b 2 /2 This can be converted into a symmetric π-shaped equivalent circuit. When expanded, the arrayed impedance is R=jZkb=jωl/AE, and exhibits the frequency characteristic of impedance (equivalent to the spring compliance l/AE). Moreover, the two parallel admittances are G=jb/2Zk=jω n /2 and exhibit the frequency characteristic of capacitance (equivalent to 1/2 of the connector mass m=ρAl). In this way, characteristics different from those in the case of a λ/4 connector occur. The equivalent circuit of the filter in Figure 5 is L 25 = L 58 →∞
That is, if the bridging connector is removed, the result obtained from FIG. 3 is obtained. (19) to (21) apply to the F matrix of the drive vibrator and torsional vibrator. However, the matrix of short connectors is It is. The π-type equivalent circuit of a connector with a length shorter than λ/4 consists of two parallel capacitances Cij and one series inductance Lij, each of which is equivalent to 1/2 the mass of the connector. Since the resonator is represented by a parallel circuit in the equivalent circuit of Fig. 3, without any loss of generality, the parallel capacitance Cij can be expressed as the parallel circuit capacitance Ci, Cj as shown in Fig. 4.
can be included in From a physical point of view, this means adding the mass of the coupler to the effective resonator mass, i.e. considering the coupler as an inertial elastic body, yet the resonator is loaded by two halves of the mass of the coupler. It corresponds to looking at it. The overall filter matrix is simpler since there are no bridging connections. A = W 1 * K 12 * T 2 * K 23 * T 3 * K 34 *... K 89
* W 9 (29) Among the five polynomials in equation (26), only G=P is different. G 1 , G 2 , U 1 , and U 2 remain in the form of equation (26). Under the assumption of impedance symmetry G 1 = G 2 , the characteristic function is becomes. That is, a first-order pole exists at the zero frequency position, and a 19th-order pole exists at the infinite frequency position. Poles at finite frequencies do not exist as hypothesized. If the bandwidth and reflection coefficient are selected as described above, the optimized value, normalized by the termination impedance, becomes: [Table] Design example of a non-steep filter according to the present invention If thermoelastomer with a density of ρ8 g cm -3 is used as the material for the resonator and coupler, the propagation velocity of longitudinal waves can be reduced.
vk4.65×10 5 cm/s. Further, the propagation speed of the torsion wave is vt2.85×10 5 cm/s. This already defines the length of the resonator; the length of the torsional resonator is 0.726-0.728 cm. The vertical drive vibrator is approximately 1.2
The length is cm. The diameter of the drive oscillator can still be chosen arbitrarily. To determine the remaining design values, we need electromechanical equivalent relationships for the resonator capacitance Ci and the coupler Lij. Equation (14) or (18) applies to the resonator. Also, the equivalence relationship for short vertical connectors is as described above. Longitudinal oscillator Ci∧ = 1/2mi Torsional oscillator Ci∧ = 1/4mi Short longitudinal coupler Lij∧ =lij/AijE (31) The equivalent inductance of the resonator is Li=1/ωi 2 Ci and the resonance relational expression According to (12), and using the elastic coefficient E instead of the slip coefficient G for the longitudinal oscillator, we have the following; Longitudinal oscillator Li∧ = 2/π 2・li/AiE (32) Torsional oscillator Li ∧ = 4/π 2・li/AiG (33) Equations (31) to (33) are equivalent relations, not equality, so even if you multiply the right-hand side by an arbitrary constant q, these equivalent relations become Naturally it will be established. Since the constant q can be arbitrarily selected, these equivalence relational expressions can be rewritten into equations. Longitudinal oscillator Ci=1/q・mi/2 (34) Torsional oscillator Ci=1/q・mi/4 (35) Short longitudinal coupler Lij=q・lij/AijE (36) From this, q is It becomes clear that it is an electromechanical analogy coefficient. Incidentally, the unit of q is g/Farad. Since at present only one electrically equivalent element corresponds in a fixed manner to one mechanical quantity, the coefficient q becomes an invariable value for all other electromechanical relationships of the filter. Assuming that the diameter of the first torsional resonator (resonator 2 in the equivalent circuit in Figure 3 or resonator 7 in Figure 5) is 0.3 cm, the mass is equal to the length of the torsional resonator.
Since it is 0.728cm, m 2 =8.π/4・(0.3) 2 0.728=0.41g. Since the equivalent circuit requires C 2 = 25.71 μF (see the value shown at the end of 37). The mass of the driving oscillator is determined from (34), (37) and the numbers shown at the end of m 1 = m 9 = 2qC 1 = 0.205g. The length of the driving oscillator as described above is determined to be l 1 = 1.2 cm. Therefore, the cross section A 1 =A 9 =m 1 /ρ・l 1 =0.021cm 2 However, the shape of the cross section (circular, rectangular) can be arbitrarily selected. Equation (36) and E=vk 2 ρ=1.73×10 12 are used for the vertical connector.
By g・cm −1・s 2 lij/Aij=E/qLij=4.34×10 8 Lijcm −1 (38) holds. If the thickness of the connector 9 is selected to be 0.019 cm, then Aij=λ/4(0.019) 2 =2.835×10 -4 cm 2 , and therefore lij=1.23×10 5 Lij. As a result, the following lengths are obtained for each connected section. l 12 = l 89 = 0.233cm l 23 = l 78 = 0.324cm l 34 = l 67 = 0.347cm l 45 = l 56 = 0.354cm Thus, the total length of the filter including the drive vibrator is
It becomes 4.92cm. On the other hand, the total length of a filter with a connector of λ/4 length is 7 cm. This is because there is no degree of freedom in selecting the coupling length. In addition, length L 23 ~ L 45
corresponds to dimensions a 1 to a 3 . Operational attenuation of the filter design example according to the present invention The operational attenuation curve of the filter thus designed is shown in FIG. Other design examples are easily derived, for example from (38). This is because if the diameter of the connector is multiplied by the coefficient h, all the connected sections are multiplied by the coefficient h2 , and the characteristics of the connector remain unchanged. If the diameter of the vibrator is 0.3cm, l 12
0.15cm, the remaining lij are lij≧0.3cm, and all lij<
Just note that λ/5=0.48cm (λ=2.4cm, so λ/4=0.6cm). Instead of one connector (for example connector 9) with a diameter of 0.019 cm, a pair of connectors 9, 9' with a diameter of 0.013 cm can also be provided. It is also possible to multiply or reduce the diameters of all resonators and couplers by the same factor while remaining calculated as above. However, in this case, since l 23 =0.324 cm, this is the upper limit value for the diameter of the torsion oscillator. All of the configuration examples described above exhibit attenuation characteristics as shown in FIG. In the filter of the invention, the arithmetic symmetry of the stop-attenuation edges is very good compared to filters with λ/4 length connectors. Note that arithmetic symmetry means that there is a relationship of ω 012 /2 with the central angular frequency ω 0 as the center. Also, geometric symmetry is
It means that there is a relationship of ω 2 0 ] = ω 1 · ω 2 with the central angular frequency ω 0 as the center. Furthermore, the filter of the present invention obtains a stable lower band edge based on its error sensitivity distribution when the CCITT channel filter tolerance rules are to be satisfied. This is because, in the case of the present invention, the resonant frequency of the resonator is located near the lower band edge, so the influence of errors on the lower band edge is negligible. In addition, in the filter of the present invention, the sub-resonance in the stopband caused by the torsional resonance of the longitudinal coupler is located much further from the passband than in a filter with a λ/4 length coupler, and is dispersive. distribution, so it is easier to deal with. As described above, in a filter having a λ/4 length connector, its characteristic function has a fifth-order pole at the zero frequency position and a seventh-order pole at the infinite frequency position.
Further, in the filter according to the embodiment of the present invention, the characteristic function has a first-order pole at the zero frequency position and a 19th-order pole at the infinite frequency position. That is, when a λ/4 long coupling element is used like a Berner filter, approximately the same number of poles are generated in the upper and lower stop zones. For example, if there are a total of 10 poles, 5 poles will occur in the upper stop zone and 5 poles will occur in the lower stop zone. On the other hand, when the spacing between the coupling points is shorter than λ/4 and inductive properties are exhibited as in the present invention, the number of poles is much larger in the upper stop zone than in the lower stop zone. As is clear from this, the rise in attenuation in the λ/4 long coupling filter is steeper in the lower stopband than in the filter of the present invention, and is slower in the upper stopband. Generally, in a λ/4 long coupler filter, all parallel resonances occur at the same frequency ω 0 (center angular frequency). Therefore, frequency conversion (known as bandpass filter/lowpass filter conversion)
Then, Ω=ω−ω 2 /〓 /0c −ω 2 / 0c =ω− 2 / 6 /
ω/B where ω −c ·ω c2 0 , where ω −c is the lower band edge and ω c is the upper band edge. The characteristics of the λ/4 long coupler filter are arithmetically symmetrical around Ω=0. For the real frequency axis ω>0, Therefore, the characteristics are geometrically symmetric around ω 0 . The damping rise is therefore smaller in the upper stopband than in the lower stopband. However, many applications require arithmetically symmetrical rejection characteristics (particularly in the case of pulse filters, signal filters, etc.), and the filter of the present invention is suitable for these applications because of the basic tendency described above. This can be said to be extremely appropriate. As a carrier frequency channel filter, the filter of the present invention is also excellent in terms of the influence of errors (error sensitivity). In both the filter of the present invention and the λ/4 length coupler filter, sufficiently accurate tuning of the resonant frequency is necessary and possible. In both types of filters, the connectors also include manufacturing contingencies of mechanical parts.
The influence of general errors in the λ/4 length connector filter is small. However, the influence is uniformly distributed in the frequency range below ω 0 and above ω 0 , and is particularly greatest at the band edge. In contrast, the filter of the present invention is extremely stable at the lower band edge. On the other hand, at the upper band edge, a clear and larger influence appears than in the λ/4 long coupler filter. However, according to the CCITT standard, much stricter requirements are imposed on the error sensitivity characteristics at the lower band edge of a channel filter than at the upper band edge. In addition to these advantages, such advantages can also be recognized. The lower band edge is defined in the filter according to the invention primarily by a very precisely tuned resonator. In a Werner filter, on the other hand, the multiple poles of the lower stopband will influence the attenuation curve at the lower band edge. Since these poles depend on equal and precise lengths between the coupling points, e.g. exactly equal to λ/4, slight manufacturing tolerances and variations will not have a significant effect on the attenuation curve at the lower band edge. This will have a negative effect on the situation. Next, the basis for limiting the value to 0.65/4λ will be explained. For the passband of carrier frequency channel filters, 1/20 of the CCITT tolerance standard is generally required. That is, a W 0.11dB=0.0125Np Such an attenuation ripple corresponds to the reflection relationship r≦15.7% based on Feltkeller's formula e 2aW +|r| 2 =1. As is clear from the design example of the present invention, in a non-steep filter with an electrical termination circuit and a flattened operational attenuation ripple a W according to the Tievisiev characteristic, the innermost mechanical coupling is the weakest and therefore has the largest distance between the bond points. The coupling between the drive oscillator and the first steel oscillator on the other hand is the strongest and therefore the shortest of all coupling point spacings. According to the operating parameter theory, the weakest coupling
The ratio between kmin and the strongest coupling kmax is the reflection coefficient r
The relationship is as follows; [Table] To reduce kmin/kmax, kmin should be small and kmax should be large. To achieve this, it is necessary to increase lmax and decrease lmin. However, since lmax≦λ/4−Δ, there must be a maximum value of lmin when lmax=λ/4−Δ. By the way, if a uniform coupling element is provided in which the effective masses of all the resonators of a mechanical filter are at least substantially equal to each other, the length lik of the coupler between resonators i and k is approximately Then sin2πlik/λ=1/Kik. However, λ is the wavelength at the center frequency of the filter, and Kik is the mechanical coupling coefficient. When scolded kmin/kmax=sin2π lmin/λ/sin2π lmin/λ≦
0.850 In the present invention, lmax<λ/4. Therefore, if we set lmax = λ/4-△, sin2π/λlmin/sin2π/λ (λ/4-△)≦0.850 sin2π/λlmin/sin (π/2-2π/λ△)≦0.850 sin2λ/λlmin≦ 0.850×cos2π/λ△ sin2π(lmin/λ)≦0.850×cos2π/λ△ sin2π(lmin/λ)<0.850 When solving this, the table below (especially lmin/λ) between r and (lmin/λ) = 0.162). In other words, according to the present invention, if a length slightly (△) shorter than λ/4 is associated with the weakest bond, the shortest length associated with λ
The following relationship between lmin and reflection coefficient r is obtained. [Table] Minimum length displayed last in the table above
lmin/λ is 55.2% shorter than λ/4. The value of the shortest length lmin/λ displayed last is the maximum value that can realize the strongest combination of 1/20-CCITT-channel filter. That is, if the minimum length is made longer than this, it is no longer possible to realize the strongest coupling of the 1/20-CCITT-channel filter. In a λ/4 connector filter, the connector exhibits λ/2 characteristics at a frequency twice the band center frequency. Therefore, the λ/4 coupler itself becomes a resonator. And since all the connectors resonate at the same frequency,
A deep drop in attenuation occurs in the filter's rejection characteristic, reaching a level of less than 10 dB.
Such a deep drop in attenuation always occurs at frequencies that are even multiples of the band center frequency. On the other hand, in the present invention, (1) Since the spacing between the coupling points is different, the resonance of the coupler and therefore the drop in the attenuation amount occurs at dispersed frequency positions. For example, set the blocking attenuation level to 40dB.
It can also be set to a larger value. (2) By shortening the coupler, a drop in attenuation can be caused at higher frequencies, and therefore farther from the passband. Incidentally, in an ideal connector with a length of zero, the amount of attenuation drops at an infinite frequency. In this way, the value of 35% prevents the concentrated generation of parasitic coupler resonances as described below, and also causes the coupler resonance frequency to occur at a frequency position far away from the passband. /20-CCITT - It can be seen that it has a meaning as a limit value to meet the request for operational attenuation. The coupling coefficient between resonator n and resonator n-1 is obtained by dividing a predetermined function by the square root of the product of mass Mn of resonator n and mass Mn-1 of resonator n-1. When the distance between the resonators is shorter than λ/4 as in the present invention, the mass of the resonators does not affect the coupling coefficient much. For example, even if the masses of both resonators are made to differ by 10%, the coupling coefficient will only be affected by a value on the order of 1/100. Thus, in the present invention, it is sufficient that the effective masses of the resonators are at least approximately equal. Furthermore, it is possible to finely adjust the coupling coefficient by varying the spacing between the coupling points and adjusting the resonator diameter or mass in order to achieve desired filter passage characteristics. Since the resonator mass does not significantly affect the coupling coefficient, this fine adjustment can be easily performed. Differences between short couplers and λ/4 long couplers We will briefly discuss whether the characteristics of torsion oscillators really affect the limitations between short couplers and λ/4 couplers, and if so, to what extent. As is clear from the derivation of the matrix of the λ/4 long connector filter and the matrix of the short connector filter, especially from the respective characteristic functions (27) and (40), the difference between the two filters, that is, the difference in the filter matrix or The difference in characteristic functions is due to the combination of connector matrices (22),
This is due to the difference in (28). Incidentally, in a filter with a λ/4 length connector, the connector is a first-order approximation and is an inverter that is independent of frequency. On the other hand, short connectors exhibit the frequency characteristics of a series inductance. The fact that the difference between the two filters or their matrices or characteristic functions is related only to the difference in the couplers and does not depend on the characteristics of the resonator can be proven by the following simple example. can. In other words, when two identical resonators are coupled together (however, their frequency characteristics are expressed as G(ω)
), and for a λ/4 connector filter, The short connector is In either case, the zeros of matrix element A 21 give the coupler resonance. As is clear from (41), since 1/Z−ZG 2 (ω)=O or G(ω)=±1/Z, the coupler resonance is the oscillator resonance G(ω)=O
does not match. On the other hand, in the case of a short coupler (42), since G(ω)·(2−ωLG(ω))=O, the coupling resonance and the natural resonance of the vibrator match. Since no assumptions were made regarding the frequency characteristic G(ω) of the resonator, the above differences are very common. In other words, the difference between the two bond types (λ/4 long and short) is based entirely on the characteristics of the connector itself. Of course, in filter design, the characteristics of the resonator are included in the design formula. For example, when two steel plates are connected to each other, they can be connected by screws or rivets, but in either case, the specific design values (i.e., thickness and length) of the connecting member are determined by the dimensions of the steel plates.
However, this has no effect on the difference between a screw connection and a riveted connection. As described above, the differences in the characteristics of the connectors are stark between the short connectors and the λ/4 connectors (especially equations (41) and (42)). The amidotance characteristic (matrix (16)) of a torsional resonator is determined by the frequency position of the bandwidth.
For filters with a small relative bandwidth (<3.4%) above 100 kHz, the electrical equivalent circuit is represented sufficiently accurately by a parallel circuit (Matrix (17)). The resonant frequency of this parallel circuit corresponds to the resonant circuit of the oscillator and therefore depends only on the length of the oscillator in addition to the material constants according to equation (12). The capacitance corresponds to the mass of the resonator (formula (15)).
That is, if the length of the vibrator is determined in advance, it corresponds to the cross-sectional area of the vibrator. In the general connector matrix (1), the matrix element a 12 =jZ sin2π x /λ is a factor that defines the connector. If we use equation (4) for xλ/4, we get become. By the way, for x≪1, a 12 =jω x /AE (short connector). The characteristic admittance of a resonator thus contains a cross-sectional area in its molecule, and the coupler reactance
a 12 includes the cross-sectional area in the denominator. Therefore, keeping all lengths of the filter, all cross-sectional areas (oscillator, coupler, transducer ceramic) can be reduced to (q+
1) When multiplied, all filter characteristics remain unchanged except the input admittance. The input admittance is thereby increased by a factor of (1+q). If the signal source impedance and load impedance are multiplied by 1/(q+1), the operating characteristics of the filter remain unchanged. In other words, the conclusion is that the filter characteristics are determined by the length, and the impedance level depends on the diameter. It can then be seen that for the present invention only the length of the connector is important. Steepening Filters According to Embodiments of the Invention At the outset, it was explained how the filters of the invention must be constructed in order to be directly comparable with the filters of the above-mentioned AEU. An equivalent circuit of the filter of the present invention constructed in this manner is shown in FIG. The matrix for the entire filter can be derived in the same way as for . Just use (28) instead of (22) with the connective matrix Kij . As a matrix element of matrix (23), u 11 = 1−L 23 C 32 −ω 2 3 )−(L 23 +L 34 )・C 4 (
ω 2 −ω 2 4 ) +L 23 L 34 C 3 C 42 −ω 2 3 ) (ω 2 −ω 2 4 ) u 12 = ω{L 23 +L 34 +L 45 −L 23 (L 34 +L 45 )・C 32
−ω 2 3 )−L 45 (L 23 +L 34 ) ・C 42 −ω 2 4 )+L 23 L 34 L 45 C 3 C 42 −ω 2 3 )(ω 2
−ω 2 4 )} u 21 = 1/ω{C 32 −ω 2 3 )+C 42 −ω 2 4 )−L 34
C 3 C 42 −ω 2 3 ) (ω 2 −ω 2 4 )} u 22 =1−(L 34 +L 45 )・C 32 −ω 2 3 )−L 45 C 4 (
ω 2 −ω 2 4 )+L 34 L 45 C 3 C 42 −ω 2 3 )(ω 2 −ω 2 4 ) However, in the bridging coupling, there is another phase inversion with respect to the connector matrix (28). It must be noted that the is inserted. That is, The shape of matrix K 58 is also very similar to (30).
The matrix elements of matrix (24) are v=ωL 25 −u 12 v 11 = ωL 25 u 11 +u 12 v 12 = ωL 25 u 12 v 21 = (ωL 25 −u 12 ) u 21 − (1+u 11 ) (1+u 22 ) v 22 = ωL 25 u 22 + u 12 . The attenuation pole is derived from the non-trivial zero at v=0. That is, v=ω{L 25 −L 23 −L 34 −L 45 +L 23 C 3 (L 34 +L 45 )(
ω 2 −ω 2 3 ) +L 45 C 4 (L 23 +L 34 ) (ω 2 −ω 2 4 )−L 23 L 34 L 45 C 3 C
42 −ω 2 3 )(ω 2 −ω 2 4 )}=0 Compared with matrix (26), the polynomial G(p)
Only the structure of , so the characteristic function is becomes. From equation (40), it can be seen that the filter of the above embodiment of the present invention has a first-order pole at zero frequency and an 11-order pole at infinite frequency.
It can be seen that it has the following poles and has four poles at finite frequencies. Therefore, compared to (27) of the AEU filter mentioned above, the filter of the above embodiment of the present invention exhibits a steep rise in the attenuation curve in the upper stop band and a flat rise in the attenuation curve in the lower stop band. result. In particular, by the method of optimizing the operating parameters according to the design criteria explained for matrix (26), the equivalent circuit normalized by the terminal impedance is given as follows; The design is carried out as described above. That is, the resonator length is determined by the propagation speed of the thermoelastomer. The choice of either resonator diameter defines the electromechanical analogy coefficient. The only difference to consider compared to the case already described is that the length of the bridging connector is longer than that of the main connector li,i+1
This point is defined by the design value of . Incidentally, l 1 =l 9 1.2 cm li = 0.727 to 0.730 cm, i = 2, 3 to 8.The exact length of the drive vibrator depends on the piezoelectric ceramic used. However, this is not directly related to the present invention. If the diameter of the second resonator is chosen to be 0.25, then m 2 =0.287g and the analogy coefficient is q = 2819g/F. If the mass of the drive vibrator is m 1 =m 9 =0.144 g, the cross section of the drive vibrator that can be formed into any shape is A 1 =A 9 =0.015 cm 2 . For the connector, lij/Aij=6.13×10 8 ×Lij. If the thickness of the connector is set to 0.016 cm, li,i+1=1.233×10 5 ×Li,i+1 for the main connector. The result is as follows. l 12 = l 89 = 0.234cm l 23 = 0.342cm l 56 = 0.371cm l 34 = 0.268cm l 67 = 0.292cm l 45 = 0.385cm l 78 = 0.332cm The length of the longest connector l 45 is also <λ /5. The length of the bridging connector is l 25 = l 23 + l 34 + l 45 = 0.995 cm l 58 = l 56 + l 67 + l 78 = 0.994 cm. The length of the bridging connector is λ/4<lij<λ/2. Its diameter must be determined based on line transmission theory. The matrix element defining the connection is jZ·sin2π x /λ, as described above. Substitute l 25 or l 58 for x, and band center frequency n = λ
Substitute the wavelength at 198100Hz. λ=vk/ n =4.65×10 5 /198100=2.35cm Since Z=Aijρvk, we can use analogy coefficient q to set 2π n Lij = q/Aijρvksin2πlij/λ, so Aij=q/2π n ρv k sin2πlij/λ/L ij =6.088×10 10 sin2.674×lij/L ij . That is, A 25 = 3.33×10 -5 cm 2 →φ 25 = 6.51×10 −3 cm A 58 = 2.17×10 −5 cm 2 →φ 58 = 5.26×10 −3 cm Figure 8 shows the operational attenuation of the filter. shows. The total length of this filter is 4.9 cm, which is significantly shorter than the total length of the corresponding λ/4 length connector filter. The lower the frequency (eg 100kHz), the more pronounced this advantage becomes. In the filter with a λ/4 length coupler, the design values of all lengths increase inversely proportional to the center frequency, while in the filter of the present invention, only the design value of the length of the drive oscillator increases inversely proportional to the center frequency. This is because it increases. Of course, the length of the torsional oscillator is also increased in the filter of the present invention, but since the torsional oscillator extends transversely to the long axis of the filter, it is not related to the length of the filter. Another advantage of a short coupling filter is that it is necessary to steepen only on one side, i.e. to form an attenuation pole only on either the lower stopband or the upper stopband. Provides essential benefits. In short couplers, the odd-numbered resonators are skipped and bridge-coupled. An attenuation pole occurs when the resonator is bridge-coupled (usually by skipping one resonator).
The phase state of the bridging connector determines whether the pole occurs in the upper or lower blocking zone.
This is not possible with a λ/4 coupler torsional resonator. This is because the bridging coupling is λ/2 and therefore becomes a resonator itself. This is also precisely reasoned in the AEU¨ mentioned above (Figures 1 and 2). Avoidance measures (which are more or less technically problematic in any case) are provided only for longitudinal wave filters in the type of filters dealt with in the above-mentioned AEU paper, and are not limited to twisting. It is not provided for filters with vibrators. In the carrier system, the AEU filter described above requires an additional low-pass filter to cover the sharp drop in attenuation that occurs at twice the band center frequency. In the AEU¨ filter mentioned above, all the resonators vibrate with an overtone, and at this frequency all the couplings have a length of λ/2 and the bridging couplings have a length of 3/2λ, so that all the coupling The child and the bridging coupler are resonators. As a result, the amount of attenuation drops by several decibels. On the other hand, the amount of attenuation is generally determined based on the request from the conveyance system.
Must be greater than 40dB. As mentioned above, although the total length of the filter according to the embodiment of the present invention can be made as small as possible by making the distance between each resonator as narrow as possible,
The desired filter characteristics can be adjusted. The additional coupler makes it possible to obtain poles of the filter characteristic, if required, so that the number of resonators can be kept as low as possible. Furthermore, since the resonators are held individually, the necessary coupling between the resonators may occur if, due to manufacturing tolerances, the support wires 11 do not engage exactly in the vibration nodes and therefore contribute slightly to the vibration phenomena of the resonators. However, there is no risk of it being disabled (the support device can support the resonator in a fully decoupled state). The resulting deviation of the resonant frequency of the resonator of the resonator can be easily adjusted in the resonator during adjustment. Furthermore, because the support plate 10 has a greater mass than the support wire 11, vibrations that reach it are practically not transmitted, so that the initially adjusted connection is maintained.

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

第1図a、第1図bは縦結合子の基礎理論の説
明に供する回路図、第2図は従来技術のメカニカ
ルフイルタの等価回路図、第3図は本発明の実施
例の説明に供するメカニカルフイルタの等価回路
図、第4図は短い結合子の等価回路図、第5図は
本発明の実施例のメカニカルフイルタの略図、第
6図は従来技術のメカニカルフイルタの動作減衰
量曲線のダイヤグラム、第7図は本発明のメカニ
カルフイルタの動作減衰量曲線のダイヤグラム、
第8図は急峻化した本発明のメカニカルフイルタ
の動作減衰曲線のダイヤグラムである。 1〜7……ねじり共振子、8,8′……電気機
械変換器、9,9′……結合子、10……支持板、
11……支持線、21〜27……結合点、12,
12′,13……付加的結合子。
Figures 1a and 1b are circuit diagrams for explaining the basic theory of longitudinal connectors, Figure 2 is an equivalent circuit diagram of a conventional mechanical filter, and Figure 3 is for explaining an embodiment of the present invention. An equivalent circuit diagram of a mechanical filter, FIG. 4 is an equivalent circuit diagram of a short connector, FIG. 5 is a schematic diagram of a mechanical filter according to an embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a diagram of an operating attenuation curve of a conventional mechanical filter. , FIG. 7 is a diagram of the operational attenuation curve of the mechanical filter of the present invention,
FIG. 8 is a diagram of a steepened operational attenuation curve of the mechanical filter of the present invention. 1 to 7... Torsional resonator, 8, 8'... Electromechanical transducer, 9, 9'... Coupler, 10... Support plate,
11...Support line, 21-27...Connection point, 12,
12', 13...Additional connectors.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 終端共振子がそれぞれ電気振動を機械振動に
又は機械振動を電気振動に変換する電気機械変換
器に接続され、すべてのねじり共振子が、縦振動
を行ないかつ全長にわたつて同一の断面を有する
貫通線として構成される結合線(結合子)を介し
て互いに結合され、又は個々のフイルタ部分区間
に存在して直接隣接し合うねじり共振子が当該区
間毎に、縦振動を行ないかつ全長にわたつて同一
の断面を有する所属の区間結合線(結合子)を介
して互いに結合され、該結合線又は該区間結合線
が共振子の縦軸と垂直に設けられかつ各共振子と
各結合点で結合せしめられ、共振子の実効質量が
実質的に相等しく、更に所定のフイルタ通過特性
を得るため各共振子間の結合度が種々に選定され
た、軸平行に配置された複数個のねじり共振子を
有するエレクトロメカニカルフイルタにおいて、
各共振子間の隣り合つた各結合点間の間隔は、
各々フイルタの両側に設けられた両終端共振子か
らフイルタの中央に向かつて次第に増大し、その
際、前記隣り合つた各結合点間の最大間隔は駆動
状態での波長λの1/4より短かく、最小間隔は駆
動状態での波長λの1/4より少なくとも35%だけ
短かく設定したことを特徴とする軸平行に配置さ
れた複数個のねじり共振子を有するエレクトロメ
カニカルフイルタ。
1 Each end resonator is connected to an electromechanical transducer that converts electrical vibrations into mechanical vibrations or mechanical vibrations into electrical vibrations, and all torsional resonators vibrate longitudinally and have the same cross section over their entire length. Torsional resonators that are connected to each other via coupling lines (coupler) configured as through lines or that are present in individual filter subsections and are directly adjacent to each other perform longitudinal vibration in each section and extend over the entire length. and are connected to each other via associated section coupling lines (coupler) having the same cross section, which coupling lines or section coupling lines are arranged perpendicularly to the longitudinal axis of the resonator and at each resonator and each coupling point. A plurality of torsional resonances arranged parallel to each other's axes are coupled together, the effective masses of the resonators are substantially equal, and the degree of coupling between each resonator is variously selected to obtain predetermined filter passage characteristics. In an electromechanical filter having a
The distance between adjacent coupling points between each resonator is
It gradually increases from both end resonators provided on both sides of the filter toward the center of the filter, and in this case, the maximum distance between the adjacent coupling points is shorter than 1/4 of the wavelength λ in the driving state. Thus, an electromechanical filter having a plurality of torsional resonators arranged parallel to the axis, wherein the minimum interval is set to be at least 35% shorter than 1/4 of the wavelength λ in the driven state.
JP2830481A 1970-07-27 1981-02-27 Electromechanical filter having plurali twisted resonators disposed parallel to axis Granted JPS5723314A (en)

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