JP2010504064A

JP2010504064A - リエントラント型共振空洞および前記空洞を製造する方法

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Publication number: JP2010504064A
Application number: JP2009529187A
Authority: JP
Inventors: ヘッセルバース，ジャン
Original assignee: アルカテル−ルーセントユーエスエーインコーポレーテッド
Priority date: 2006-09-20
Filing date: 2007-09-10
Publication date: 2010-02-04
Anticipated expiration: 2027-09-10
Also published as: EP2092596A2; WO2008036180A2; KR20090041433A; US20080067948A1; JP4833339B2; EP2092596B1; CN101517822B; US8324989B2; WO2008036180A3; CN101517822A

Abstract

リエントラント型共振空洞１２は、第１金属化成形プラスチック・コンポーネント１８を含み、コンポーネント１８は、リエントラント型スタブ１７、端壁１４、および円柱側壁１３を備える。コンポーネント１８は、金属化ＰＣＢ基材１９に表面実装はんだ付けされる。ロストラム２４は、スタブ１７の端面２１に向かい合って位置付けられて、端面２１と容量性ギャップ２２を画定する。スタブ１７の端面２１およびロストラム２４は、スタブ１７とロストラム２４との間の相対回転が、ギャップ２２のプロファイル、したがって、ギャップ・キャパシタンスを変更するように構成される。製造中に２つの部品を適切に位置付けることによって、特定のキャパシタンスが選択されて、スタブ１７とロストラム２４の相対的な角度位置に応じて利用可能な選択による所望の共振周波数を与えてもよい。別の空洞では、ロストラムは、プリント回路板のエッチングされた金属化層で置き換えられる。

Description

本発明は、リエントラント（ｒｅ−ｅｎｔｒａｎｔ）型共振空洞、および、こうした空洞を製造する方法に関する。より詳細には、しかし、排他的ではなく、本発明は、表面実装技法を使用して製造されるリエントラント型空洞およびマルチ共振器フィルタ機構に関する。

共振空洞は、導電性表面によって境界を付けられ、かつ、その中で、発振電磁界が持続可能である閉囲容積を有するデバイスである。共振空洞は、例えば、フィルタとして使用され、優れたパワー・ハンドリング能力および低いエネルギー損失を有する可能性がある。いくつかの共振空洞が結合されて、精巧な周波数選択性動作を達成することができる。

共振空洞は、金属でミリングされるか、または、金属から鋳造されることが多い。動作周波数は、必要とされる空洞のサイズを決定し、マイクロ波範囲では、サイズおよび重量はかなりのものになる。リエントラント型共振空洞では、空洞容積内の電磁界の電界部分と磁界部分は、本質的に幾何学的に分離され、同じ共振周波数を有する円柱空洞のサイズと比較して、空洞のサイズが低減されることが可能になる。

共振空洞の幾何学的形状が、その共振周波数を決定するため、高い機械的精度が必要とされ、付加的に、または、別法として、ポスト・プロダクション同調が適用される。例えば、空洞容積内に可変量だけ突出する同調ねじなどの、同調メカニズムが設けられてもよく、また、同調メカニズムは手動で調整される。図１は、手動調整式同調メカニズムを含むリエントラント型共振空洞１を概略的に示す。空洞１は、円柱外壁３、端壁４および５、ならびに、端壁４の一方から延在するリエントラント型スタブ６によって画定される閉囲容積２を有する。電界は、スタブ６の端面８と端面８に向かい合う空洞壁５の部品９との間の容量性ギャップ７に集中する。端面８は、スタブ６の長手方向軸Ｘ−Ｘに位置合わせされたブラインド穴１０を含む。同調ねじ１１は、端壁５から穴１０内に突出する。エネルギーは、共振空洞内に結合され、オペレータは、矢印で示すように、端面８に対して軸方向に同調ねじ１１を移動させるときの、共振周波数に対する影響を監視して、容量性ギャップのキャパシタンス値を変更する。これは、空洞の共振周波数が、要求される値に調整されることを可能にする。

空洞の重量を減らす１つの知られている方法は、空洞をプラスチックで製造し、その表面を薄い金属フィルムで被覆することである。ミリングが使用されて、プラスチックを形作る場合、十分な精度を達成することが難しい可能性があり、また、表面粗さが問題となる場合がある。成形は、別の手法であるが、特に、空洞がフィルタとして組み合わされるとき、ツーリングは高価である。例えば、典型的なマルチ共振器フィルタでは、含まれる共振器のほとんどの共振周波数は、互いに異なる。フィルタの機能は、共振器について、少し異なる共振周波数、したがって、少し異なる幾何学的形状を必要とする。結果として、成形技法、例えば、プラスチック射出成形が使用される場合、単一成形型枠が、共振器のすべてを画定するよう構成されなければならない。こうした複雑な型枠は、十分な精度で作ることが難しく、そのため、かなりのコストを伴う。

Ｔ．Ｊ．Ｍｕｅｌｌｅｒ、「ＳＭＤ−ｔｙｐｅ４２ＧＨｚｗａｖｅｇｕｉｄｅｆｉｌｔｅｒ」、Ｐｒｏｃ．ＩＥＥＥＩｎｔｅｒｎ．ＭｉｃｒｏｗａｖｅＳｙｍｐ．、Ｐｈｉｌａｄｅｌｐｈｉａ、２００３、１０８９〜１０９２頁は、表面実装はんだ付けを使用した導波路フィルタの製造を記載しており、表面実装はんだ付けにおいて、導波路壁のうちの１つを画定するためのボード金属化を使用して、Ｕ形状金属フィルタ部品が、プリント回路板（ＰＣＢ）上ではんだ付けされる。

Ｔ．Ｊ．Ｍｕｅｌｌｅｒ、「ＳＭＤ−ｔｙｐｅ４２ＧＨｚｗａｖｅｇｕｉｄｅｆｉｌｔｅｒ」、Ｐｒｏｃ．ＩＥＥＥＩｎｔｅｒｎ．ＭｉｃｒｏｗａｖｅＳｙｍｐ．、Ｐｈｉｌａｄｅｌｐｈｉａ、２００３、１０８９〜１０９２頁

本発明の態様によれば、ある容積を画定する導電性表面と、容積内に延在し、かつ、長手方向軸および端面を有するリエントラント型スタブとを備えるリエントラント型共振空洞を製造する方法において、端面と表面の向かい合う部分との間に容量性ギャップが存在し、方法は、リエントラント型スタブを備える第１空洞部品を設けるステップと、向かい合う部分を備える第２空洞部品を設けるステップと、前記長手方向軸を中心とするスタブと向かい合う部分との間の相対回転が、容量性ギャップのプロファイルを変更して、少なくとも１つの相対的な回転位置について、別の相対的な回転位置のギャップ・キャパシタンスと比較して異なるギャップ・キャパシタンスを提供するように、スタブおよび向かい合う部分を構成するステップと、必要とされるギャップ・キャパシタンスを与えるギャップ・プロファイルを得るために、第１および第２空洞部品を互いに対して位置決めするステップとを含む。

本発明を使用することによって、共振周波数は、例えば、第１および第２空洞部品の配置中に、適切な角度偏移を得るように第１および第２空洞部品を位置決めすることによって選択されることができる。これは、部品が十分な精度で作製され、位置付けられる場合、ポスト・プロダクション同調についての必要性をなくすのに十分である可能性があるが、必要である場合、さらなる同調メカニズムが含まれてもよい。さらに、本発明は、自動化製造に適し、共振周波数を設定するときの手動介入についての必要性を減らす、または、なくす。

リエントラント型スタブおよび向かい合う部分は、両者の有効なオーバラップが、相対的な角度位置によって変わるように構成される。リエントラント型スタブおよび向かい合う部分の表面の多くの考えられる形状が存在し、その形状は、コンポーネントの相対回転によって、ギャップ・キャパシタンスの所望の変動を示すことになる。一部の形状は、他の形状に比べて、角度位置にわたる大きなキャパシタンス変動（大きな周波数変動に相当する）をもたらす。大きなキャパシタンス変動は、ギャップ距離を減少させることによって、すなわち、ギャップを小さくすることによって達成されることができる。キャパシタンスは、平行板キャパシタにおいてそうであるように、ギャップ距離に逆比例する。

第１空洞部品は、金属化プラスチックであり、成形によって形成されてもよい。第２空洞部品は、例えば、プリント回路板（ＰＣＢ）などの基材によって担持され、基材と一体でなくてもよい。ＰＣＢの表面に対する金属化は、空洞の表面を画定してもよい。第２空洞部品は、また、成形された金属化プラスチックであってよいが、あるいは、完全に金属であることができる。方法は、金属化プラスチック・コンポーネントを所定場所にはんだ付けする表面実装技術を含んでもよい。コンポーネントのそれぞれの共振周波数は、技法の配置およびはんだ付け段階中に調整されることができる。こうして、例えば、第２空洞部品は、金属化ＰＣＢに表面実装はんだ付けされ、また、第１空洞部品は、同様に表面実装技法を使用してＰＣＢ上に実装されてもよい。ＰＣＢまたは他の基材によって提供されるフィーチャは、第１および第２空洞部品の角度位置を画定する位置付け手段として役立ち得る。例えば、ＰＣＢは、ミリングされた穴を提供してもよく、第１および第２空洞部品は、ピンなどの手段によって位置付けられる。ピンなどのフィーチャは、ほぼコスト・ゼロで成形型枠を修正することによって成形コンポーネントに付加されることができる。ミリングされた穴の位置は、付加コスト・ゼロでフィルタの各共振器について異なるようにされ、それにより、同じ共振器部品を使用して異なる狂信周波数を達成する。ミリングされた穴を使用する代わりに、または、ミリングされた穴を使用することに加えて、ＰＣＢは、エッチングされたフィーチャを含むことができ、または、第１空洞部品の有効域は、楕円形またはその他非円柱形であることができ、角度位置に対して感度がある機構をもたらす。

代替の方法では、第２空洞部品は、完成空洞において、スタブの端面に対向して位置付けられた空洞壁と一体に形成される。しかし、これは、低い設計柔軟性をもたらす可能性がある。それは、異なる容量性ギャップ・プロファイルについて必要とされるオプションを与えるために、より大きなコンポーネントが、第１空洞部品に対して異なる角度位置に位置付け可能であることが必要とされるからである。

本発明による別の方法では、第２空洞部品は、例えば、ＰＣＢ基材などの基材上で金属化層をパターニングすることによって画定される。

本発明を使用することによって、同一の第１空洞部品が、異なる共振周波数を有するそれぞれのリエントラント型共振空洞に含まれてもよい。これは、総合ツーリング・コストを低減することを可能にする。それは、各共振周波数が個々の成形型枠を要求する場合に比べて量が多いためである。これは、複数のリエントラント型共振空洞がフィルタ機構において組み合わされる場合、特に有利である。同様に、同一の第２空洞部品が、異なる共振周波数を有することを必要とされる空洞において同様に使用されてもよい。こうして、リエントラント型共振空洞のセットが、第１および第２空洞部品のそれぞれについてたった１つの形状を使用して、ある範囲の共振周波数に関して製造されてもよく、所定の精度を提供することは、ポスト・プロダクション手動同調についての必要性なしで、成形、はんだ付け、および配置中に維持されることができる。

本発明の別の態様によれば、リエントラント型共振空洞は、ある容積を画定し、かつ、端面および長手方向軸を有するリエントラント型スタブを含む導電性表面を備え、端面と表面の向かい合う部分との間に容量性ギャップが存在し、スタブと向かい合う部分の構成は、前記長手方向軸を中心とするスタブと向かい合う部分との間の相対回転が、ギャップのプロファイルを変更して、少なくとも１つの相対的な回転位置について、別の相対的な回転位置のギャップ・キャパシタンスと比較して異なるギャップ・キャパシタンスを提供するようなものである。

本発明の別の態様によれば、フィルタ機構は、複数のリエントラント型共振空洞を含み、複数のリエントラント型共振空洞のうちの少なくとも１つのリエントラント型共振空洞は、ある容積を画定し、かつ、端面および長手方向軸を有するリエントラント型スタブを含む導電性表面を備え、端面と表面の向かい合う部分との間に容量性ギャップが存在し、スタブと向かい合う部分の構成は、前記長手方向軸を中心とするスタブと向かい合う部分との間の相対回転が、ギャップのプロファイルを変更して、少なくとも１つの相対的な回転位置について、別の相対的な回転位置のギャップ・キャパシタンスと比較して異なるギャップ・キャパシタンスを提供するようなものである。空洞は、共通基材上に実装されてもよい。基材上の金属化部は、例えば、エッチングによってパターニングされて、第２空洞部品を画定し、コンパクトでかつ頑健な機構を与える。

次に本発明によるいくつかの方法および実施形態を、例としてのみ、添付図面を参照して説明する。

以前に知られているリエントラント型共振空洞の略図である。本発明によるリエントラント型共振空洞および製造方法の略図である。図２のリエントラント型共振空洞の一部の詳細図である。図２の方法のステップの略図である。図２の方法のステップの略図である。複数のリエントラント型空洞を含むフィルタ機構の略図である。第２空洞部品が、基材によって担持される平面金属化部によって画定される、本発明による別のフィルタ機構のコンポーネントを示す図である。第２空洞部品が、基材によって担持される平面金属化部によって画定される、本発明による別のフィルタ機構のコンポーネントを示す図である。第２空洞部品が、基材によって担持される平面金属化部によって画定される、本発明による別のフィルタ機構のコンポーネントを示す図である。第２空洞部品が、基材によって担持される平面金属化部によって画定される、本発明による別のフィルタ機構のコンポーネントを示す図である。第２空洞部品が、基材によって担持される平面金属化部によって画定される、本発明による別のフィルタ機構のコンポーネントを示す図である。第２空洞部品が、基材によって担持される平面金属化部によって画定される、本発明による別のフィルタ機構のコンポーネントを示す図である。

図２を参照すると、リエントラント型マイクロ波共振空洞１２は、各端にそれぞれ第１端壁１４および第２端壁１５を有する円柱壁１３を備える。スタブ１７は、第１端壁１４から容積１６内に延在し、円柱壁１３の長手方向軸Ｘ−Ｘに沿って位置付けられる。円柱壁１３、第１端壁１４、およびスタブ１７は、単一成形プラスチック・コンポーネント１８として一体に形成され、コンポーネント１８の内部表面は、銀層で金属化される。第２端壁１５は、プリント回路板基材１９によって担持される金属化層によって画定される。円柱壁１３は、デバイスの作製中に、表面実装はんだ付けプロセスにおいて塗布されたはんだ２０によって金属化層に接合される。

スタブ１７の端面２１は、端面２１と第２端壁１５の向かい合う部分２３との間にギャップ２２を画定する。第２端壁１５の向かい合う部分２３は、本実施形態においてスタブ１７の直径と実質的に同じ直径であるロストラム２４によって形成される。ロストラム２４は、空洞１２の他の部品と一体でなく、かつ、基材１９上で所定場所にはんだ付けされる金属化成形プラスチック・ピースである。図３は、リエントラント型スタブ１７の下方端およびロストラム２４をより詳細に示す。スタブ１７の端面２１は、部品２１ａが１つの平面内に存在し、別の部品２１ｂが異なる平行平面内にあるように構成され、部品２１ａと部品２１ｂとの間の境界は端面２１ｂの直径にわたる。ロストラム２４の向かい合う部分２３もまた異なる平面内に存在する。中央部分２３ａは１つの平面内に存在し、側部分２３ｂ（そのうちの１つだけが図３で見られることができる）は異なる平面内に存在する。

空洞１２は、基材１９内の銅トラック２５を介した信号エネルギー用の入力部および別の銅トラック２６を介した出力部を有する。これらの銅トラックが使用されて、空洞容積１６に出入りするようにエネルギーが結合され、また、空洞１２が、例えば、フィルタを形成するために、他の同様な空洞に容易に結合することが可能になる。

空洞の製造時に、最初に、スタブ１７、円柱壁１３、および端壁１４を含む単一成形プラスチック・コンポーネント１８は、射出成形を使用して作られる。完成デバイスにおいて空洞の内部であることになる表面に金属化が適用される。金属化は、噴霧によって適用されるが、電気的目的のために完全完璧なコーティングを達成するための他の方法も可能である。ロストラム２４はまた、射出成形され、金属化される。ロストラム２４は、その後、金属化基材１９によって担持されるはんだパッド上に位置付けられる。スタブ１７の端面２１に対するロストラム２４の角度位置は、必要とされるキャパシタンスを端面２１とロストラム２４との間のギャップに与えるように選択される。こうして、スタブ１７が図３に示すように配向される場合、ロストラム２４は、スタブ１７に対して、例えば、図４（ａ）に示すように、または、図４（ｂ）に示すように位置決めされることができる。図４（ａ）に示す角度アライメントによって、ロストラム２４およびスタブ１７は、容量性ギャップにおいて最大キャパシタンスを提供するように相対的に位置決めされ、一方、ロストラム２４が図４（ｂ）に示すように配向される場合、相対位置は最小キャパシタンスを提供する。他の中間位置は、最大値と最小値との間のギャップ・キャパシタンスを提供する。

図５を参照すると、フィルタは、それぞれが、図１に示すものと同じであり、導電性トラック２８を介して共通基材２９に接続される、複数のリエントラント型共振空洞２７を含む。空洞は、同一の成形コンポーネント１８および同一のロストラム２４を含む。各ロストラムは、その底部表面に少なくとも１つの位置付けピン３０を含む。プリント回路板基材２９は、複数の穴を含み、位置付けピンは、その穴に係合する。製造中、各ロストラムは、表面実装技術を使用して所定位置にはんだ付けされる前に、穴のロケーションによって、必要とされる角度配向に位置付けられる。こうして、空洞の共振周波数は、同一の空洞部品を使用しながら、異なるようにされることができる。

フィルタを製造するための、本発明による他の方法では、異なるロストラム構成が、スタブを含む同一の第１空洞部品に関して使用されてもよい。同一でより複雑な第１空洞部品を使用することができる利点が依然として達成されるが、異なる形状のロストラムを利用可能にすることは、その形状の第１空洞部品に関して達成可能な周波数範囲を増加させる可能性がある。同様に、フィルタに含まれる共振空洞のすべてが、必ず、本発明が関連するタイプであるわけではない。

図６を参照すると、フィルタ機構３１は、３つのリエントラント型共振空洞３２、３３、および３４を含み、それぞれが、円柱壁３５、３６、および３７をそれぞれ有し、中心に位置するリエントラント型スタブ３８、３９、および４０をそれぞれ有する。各空洞はまた、明確にするために図６では省略される端壁を含む。各空洞において、円柱壁、スタブ、および両者を接合する端壁は、成形によって作製される単一金属化プラスチック・コンポーネントとして形成される。図６で見られるように、各スタブは、２つ以上の平面内に存在し、かつ、非円対称である端面を有し、スタブは同じ方向に配向する。円柱壁３５、３６、および３７は、誘電性層４３上に金属化層４２を有するＰＣＢ基材４１上に実装され、円柱壁３５、３６、および３７は、金属化層４２にはんだ付けされる。図７は、金属化層４２のパターニングをより明確に示すために円柱壁が省略されたことを除いて、図６と類似の図である。

図８は、ＰＣＢ基材４１を示す。金属化層４２は、エッチングされて、金属のエリア４４、４５、および４６が除去され、金属の非円形パッチ４７、４８、および４９が残る。非円形パッチ４７、４８、および４９は、完成フィルタ機構３１において、それぞれ、空洞３５、３６、および３７の第２空洞部品である。パッチ４７、４８、および４９は、異なる角度位置に配向されるため、それぞれのスタブ３８、３９、および４０と組み合わされて、空洞３２、３３、および３４について異なるギャップ・キャパシタンス、したがって、異なる共振周波数をもたらす。

図９は、基材４１の上部金属層４２だけを示す。図１０は、金属化層４２の下にある、基材４１の誘電性層４３内の金属充填穴５０のパターンを示す。穴５０は、エッチングされた金属化層４２を、誘電性層４３の他の面上の第２金属層５１に接続する。第２金属層５１は、各空洞の動作中に電磁界がその中で確立される容積を画定する導電性空洞表面の一部を画定する。第２金属層５１は、図１１に示すように連続である。しかし、第２金属層５１は、空洞に出入りするように信号の結合を可能にする開口を含んでもよい。ＰＣＢ基材４１は、例えば、多層誘電性構築物内に埋め込まれる結合用銅トレースを含むために、さらなる層を備えてもよい。

本発明は、本発明の本質的な特徴から逸脱することなく、他の特定の形態で具現化され、また他の方法によって実施されてもよい。述べられる実施形態および方法は、すべての点で、制限的でなく、単に例証的であるとして考えられる。したがって、本発明の範囲は、先の説明によってではなく、添付の特許請求の範囲によって指示される。特許請求の範囲の均等性の意味および範囲内に入るすべての変更は、特許請求の範囲の範囲内に包含される。

Claims

ある容積を画定する導電性表面と、前記容積内に延在し、かつ、長手方向軸および端面を有するリエントラント型スタブとを備えるリエントラント型共振空洞を製造する方法であって、前記端面と前記表面の向かい合う部分との間に容量性ギャップが存在しており、前記リエントラント型スタブを備える第１空洞部品を設けるステップと、前記向かい合う部分を備える第２空洞部品を設けるステップと、前記長手方向軸を中心とする前記スタブと前記向かい合う部分との間の相対回転が、前記容量性ギャップのプロファイルを変更して、少なくとも１つの相対的に回転した位置について、別の相対的に回転した位置のギャップ・キャパシタンスと比較して異なるギャップ・キャパシタンスを提供するように、前記スタブおよび前記向かい合う部分を構成するステップと、必要とされるギャップ・キャパシタンスを与えるギャップ・プロファイルを得るために、前記第１および第２空洞部品を互いに対して位置決めするステップとを含む方法。
前記第１空洞部品は、金属化プラスチックであり、成形によって前記第１空洞部品を形成するステップを含む請求項１に記載の方法。
前記第１空洞部品は、一体成形された金属化プラスチック・コンポーネントであり、前記金属化プラスチック・コンポーネントは、円柱壁と、前記スタブと、第１端壁とを含み、前記スタブは、前記円柱壁によって囲まれ、かつ、前記円柱壁の長手方向軸に沿う方向に前記第１端壁から延在する請求項１または２に記載の方法。
前記第２空洞部品は、基材によって担持される請求項１、２、または３に記載の方法。
前記基材は、前記第２空洞部品を角度位置決めする位置付け手段を含む請求項４に記載の方法。
前記基材は金属化基材であり、前記第２空洞部品は、前記金属化部をパターニングすることによって画定される請求項４または５に記載の方法。
前記スタブの前記端面は、２つの平行平面内に存在する請求項１乃至６のいずれか１項に記載の方法。
複数のリエントラント型共振空洞を製造するステップと、フィルタ機構を形成するために前記複数のリエントラント型共振空洞を一緒に接続するステップとを含む請求項１乃至７のいずれか１項に記載の方法。
前記複数の空洞のうちの少なくともいくつかの空洞は、それぞれ、同一の第１空洞部品を含み、また、異なる共振周波数を有する請求項８に記載の方法。
ある容積を画定し、かつ、端面および長手方向軸を有するリエントラント型スタブを含む導電性表面を備えるリエントラント型共振空洞であって、前記端面と前記表面の向かい合う部分との間に容量性ギャップが存在し、前記スタブと前記向かい合う部分の構成は、前記長手方向軸を中心とする前記スタブと前記向かい合う部分との間の相対回転が、前記ギャップのプロファイルを変更して、少なくとも１つの相対的な回転位置について、別の相対的な回転位置のギャップ・キャパシタンスと比較して異なるギャップ・キャパシタンスを提供するようなものであるリエントラント型共振空洞。
複数のリエントラント型共振空洞を含むフィルタ機構であって、前記複数のリエントラント型共振空洞のうちの少なくとも１つのリエントラント型共振空洞は、ある容積を画定し、かつ、端面および長手方向軸を有するリエントラント型スタブを含む導電性表面を備え、前記端面と前記表面の向かい合う部分との間に容量性ギャップが存在し、前記スタブと前記向かい合う部分の構成は、前記長手方向軸を中心とする前記スタブと前記向かい合う部分との間の相対回転が、前記ギャップのプロファイルを変更して、少なくとも１つの相対的な回転位置について、別の相対的な回転位置のギャップ・キャパシタンスと比較して異なるギャップ・キャパシタンスを提供するようなものであるフィルタ機構。
前記複数の空洞のうちの少なくともいくつかの空洞は、リエントラント型スタブを含み、かつ、それぞれの異なる空洞について同様に形作られるコンポーネントを備え、前記リエントラント型スタブは、それぞれの向かい合う部分と異なる角度関係にあるため、それぞれの異なるギャップ・キャパシタンスが、前記少なくともいくつかの空洞によって提供される請求項１１に記載のフィルタ機構。