Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Kanalsystem für eine Ventilanordnung, aufgebaut zumindest teilweise auf einem dielektrischen Substrat. Genauer gesagt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen Aufbau eines Kanalsystems in einem dielektrischen Substrat, imprägniert mit Harz, mit elektrisch gesteuerten Ventilen, die einen Fluidfluß durch die Kanäle leiten.

Kanalsysteme sind ein kritischer Teil von vielen Mikrovorrichtungen im Mikron- und Millimeter-Maßstab, die weit verbreitet in Mikrofluid-Steuersystemen, die ein Ventil enthalten, in Mikrosensoren und in Mikromaschinen verwendet werden. Derzeitige Mikrovorrichtungsventile werden in Automobilen, in medizinischen Instrumenten oder in Prozess-Steueranwendungen verwendet, und in Verbindung mit geeigneten Sensoren können sie akkurate Bestimmungen des Drucks, der Temperatur, der Beschleunigung, der Gaskonzentration und von vielen anderen, physikalischen oder chemischen Zuständen liefern. Mikrofluide Steuerungen umfassen Mikroventile zum Handhaben von Gasen oder Flüssigkeiten, von Strömungsmessgeräten und von Tintenstrahldüsen, während Mikromaschinen Mikroaktuatoren, bewegbare Mikrospiegelsysteme, oder sogar tastende, sich bewegende Anordnungen umfassen. Mikrovorrichtungen werden herkömmlich, teilweise aufgrund der Einfachheit einer Zuordnung und eines Integrierens einer elektronischen Steuerschaltung (unter Verwendung von VLSI-Techniken), aus Gläsern oder Halbleitermaterial-Substraten, wie beispielsweise kristallinem Silizium, kommerziell erhältlich in der Form von Halbleiterwafern, verwendet für die Herstellung von integrierten Schaltungen, aufgebaut.

Allerdings sind solche Substrate vom Wafer-Typ nicht nur fest und etwas brüchig, sondern sie sind auch in der Größe begrenzt, wobei sie allgemein einen Kreisdurchmesser von nur ungefähr 10 bis 20 Zentimetern haben. Da viele potentielle Anwendungen Felder von Mikrovorrichtungen, verteilt in einem Meter-Maßstab, erfordern, sind wesentliche Kosten dem Aufbau, der Verteilung, der Befestigung und der Verbindung miteinander von großen Mikrovorrichtungs-Feldern, basierend auf Silizium-Substraten, erforderlich. Dies trifft insbesondere in Verbindung mit einer groß dimensionierten Steuerung bzw. Kontrolle einer Fluidströmung unter Verwendung von Ventilanordnungen zu, wie dies bei Steuer-Feldern für einen Papiertransport im Meter-Maßstab erwartet werden würde. Solche Fluid-Ventil-Felder im großen Maßstab sind für zahlreiche Anwendungen nützlich, einschließlich verteilten Aktuator-Steuerungen, einer Papier- oder Objekt-Positionierung, einer dynamische Steuerung von Fluid-Instabilitäten, einem Aufbau von durch Fluid betätigten Berührungsanzeigen, oder für eine Mikrosteuerung von mikrochemischen Reaktionen und biologischen Prüfungen. Allerdings ist eine korrekte Positionierung, Befestigung und eine Zuführung von Energie und eine Steuerung von Adressierleitungen für einige 10.000 Fluidventile in Feldern im Meter-Maßstab kostspielig und unzuverlässig. Dasjenige, was benötigt wird, ist ein Verfahren zum Aufbauen einer Mikrovorrichtung und ein System zum Unterstützen und Steuern von Mikrovorrichtungs-Ventilen und -Sensoren, die kostengünstig und zuverlässig sind.

Große Felder von Ventilen besitzen einen besonderen Nutzen in Verbindung mit einer Papiertransportvorrichtung oder einem anderen Materialverarbeitungssystem, die bzw. das oftmals präzise eine Position und Geschwindigkeit von Papier oder anderen Objekten, die sich durch das System bewegen, steuern muss. Herkömmlich steuern Materialverarbeitungssysteme eine Objekt-Bewegung durch ein physikalisches Eingreifen in das Objekt mit einem separaten Objekt-Antriebsmechanismus, der das Objekt unter einer vorbestimmten Geschwindigkeit entlang eines vorbestimmten Wegs bewegt. Zum Beispiel werden mittels Zahnrad angetriebene Sperrklinken, Rollen bzw. Walzen, Haken oder Fördereinrichtungen weit verbreitet eingesetzt, um Objekte zu bewegen, die so unterschiedlich wie Papier, Halbleiter, Kunststoffe oder Stahl sind, und zwar durch mechanisches Eingreifen in die Objekte, und Bewegen der ergriffenen Objekte entlang eines erwünschten Pfads und einer festgelegten Geschwindigkeit. Dagegen hat ein derzeitiger, mechanischer oder reibungsmäßiger Eingriff von Objekten einen Nachteil dahingehend, dass er einen direkten, physikalischen Kontakt mit einem Objekt erfordert. Für bestimmte Anwendungen, einschließlich einer Verarbeitung von hoch reinen oder empfindlichen Materialien, kann eine Kontamination oder Beschädigung des Objekts von einem mechanischen Eingriff oder einem Kontakt resultieren. Dies gilt insbesondere für Hochgeschwindigkeitsverarbeitungssysteme, die Objekte einfach dadurch, dass sie darin eingreifen, beschädigen können. Zum Beispiel können Hochgeschwindigkeitswalzen Papier durch einen unterschiedlichen Eingriff von fehlausgerichtetem Papier mit der Walze beschädigen, was zu einem Reißen oder Zerreißen des Papiers führt.

Natürlich ist ein mechanischer oder reibungsmäßiger Eingriff nur ein mögliches Mittel, um ein Objekt zu bewegen Objektantriebsmechanismen, basierend auf verschiedenen Fluid-Transporttechniken, sind lange Zeit eingesetzt worden, um empfindliche Objekte zu bewegen, ohne einen festen, mechanischen Kontakt zu erfordern. Zum Beispiel kann, anstelle einer Verwendung von herkömmlichen Bändern, Fördereinrichtungen oder Walzen, Papier, das sich durch xerographische Kopiersysteme bewegt, auf einer laminaren Luftströmung getragen werden, oder kann durch gerichtete Luftstrahle nach oben angehoben und bewegt werden. Diese Form eines Fluid-Transports ist besonders vorteilhaft zum Beispiel dann, wenn Papierblätter, die nicht fixierte Tonerbilder darauf tragen, zwischen einer fotoleitenden Trommel und einer Schmelzstation, wo das Tonerbild fixiert wird, bewegt werden. Mit herkömmlichen, physikalischen Walzen muss immer die anhaltende Möglichkeit von dynamischen Zerstörungen des Tonerbilds, oder sogar leichte Fehlausrichtungen, die zu einer Bildverschlechterung führen, berücksichtigt werden. Probleme hinsichtlich einer Bildverschlechterung sind insbesondere in Verbindung mit Farbbildern gegeben, die in mehreren Überlagerungen, erzeugt durch separate Farb-Toner/Schmelzeinrichtungs-Verarbeitungszyklen, ausgerichtet werden, um das Farbbild zu erzeugen.

Allerdings sind frühere Versuche, einen Fluid-Transport bei Hochgeschwindigkeitsmaterialverarbeitungssystemen zu verwenden, die eine akkurate Positionierung erfordern, nicht sehr effektiv gewesen. Die Nachteile von herkömmlich erhältlichen Fluid-Transportsystemen, die Luftstrahl-Mechanismen zum Tragen verwenden, sind stark dann gegeben, wenn flexible Objekte, wie beispielsweise fortlaufende Rollen von Papier, Papierblättern, extrudierten Kunststoffen, metallischen Folien, Drähten oder optischen Fasern, transportiert werden. In solchen Systemen können die Auslenk-Schwingungsmoden zu einem komplexen Objektverhalten führen. Im Gegensatz zu festen Objekten sind flexible Objekte dynamisch instabil, wenn sie durch Luftstrahle getragen werden, mit einer Kantenwellung, einem Flattern, oder anderen, nicht erwünschten, dynamischen Bewegungen, die fortlaufend während eines Tragens und eines Transports auftreten. Solche nicht erwünschten Bewegungen des flexiblen Objekts können zu einer Fehlpositionierung, zu einem Transportfehler bzw. -ausfall oder sogar zu einer Beschädigung in Bezug auf den Oberflächenkontakt zwischen dem flexiblen Objekt und einer Luftstrahl-Fördereinrichtung führen.

Deshalb sind Ventilstrukturen zur Verwendung in einer Fluidtransportvorrichtung offenbart. Die Ventile können effektiv mit irgendwelchen kontinuierlichen oder diskreten, flexiblen Objekten arbeiten, die sich durch ein Materialverarbeitungssystem bewegen. Eine Sensoreinheit wird dazu verwendet, einen Bewegungszustand eines flexiblen Objekts zu fühlen, wobei ein Bewegungszustand so definiert ist, um eine Position, eine Orientierung, eine Krümmung, eine Geschwindigkeit oder andere, erwünschte, positionsmäßige oder geschwindigkeitsmäßige Informationen zu umfassen. Eine Bewegungsanalyseeinheit ist mit der Sensoreinheit verbunden, um eine Laufbahn eines flexiblen Objekts während eines Transports basierend auf seinem gefühlten Bewegungszustand zu berechnen. Laufbahnberechnungen können eine Bestimmung der gesamten Objektposition, der Geschwindigkeit und von Orientierungs-Informationen ebenso wie eine Position, eine Geschwindigkeit und eine Orientierung von Unterbereichen innerhalb des Objekts (wie beispielsweise verursacht durch eine Auslenkung) umfassen. Um dynamische Einstellungen sicherzustellen, die für einen Transport des flexiblen Objekts notwendig sind, ist eine Bewegungssteuereinheit mit der Bewegungsanalyseeinheit verbunden, wobei die Bewegungssteuereinheit so konfiguriert ist, um eine Fluidströmung, gerichtet gegen entgegengesetzte Seiten des flexiblen Objekts, zu modifizieren, um einen Bewegungszustand der flexiblen Objekte einzustellen. Dies ermöglicht die Korrektur von Objekt-Fehlausrichtungen, einer nicht korrekten Geschwindigkeit oder eines Laufwegs, oder einer Objekt-Teilung, einer Walze und eines Gierens (falls dreidimensionale Orientierungsinformationen verfügbar sind), und sogar eines nicht erwünschten Flatterns, Wölbens oder einer Kantenwellung.

Papier oder anderes, graphisch markierbares Material ist, unter den flexiblen Objekten, dazu geeignet, geführt zu werden. Ein Papierhandhabungssystem umfasst eine Mehrzahl von mit Ventil versehenen Luftstrahldüsen, eingestellt für einen Transport von Papier, wobei mindestens ein Teil der Vielzahl der Luftstrahldüsen individuell kontrollierbar ist. Ein Fühlfeld bestimmt kontinuierlich (oder intermittierend) eine Papierpostition, und eine Luftstrahl-Steuereinheit, verbunden mit dem Fühlfeld, ist so konfiguriert, um eine Papier-Laufbahn in Abhängigkeit von Informationen, empfangen von dem Fühlfeld, zu modifizieren. In Abhängigkeit von der berechneten Position modifiziert die Luftstrahl-Steuereinheit eine Papierbewegung oder -orientierung (z.B. durch selektives Erhöhen oder Verringern einer Luftströmung von Luftstrahlen, die ein Moment auf definierte Unterbereiche des Papiers aufbringen), um nahezu augenblicklich die Diskrepanzen in dem Bewegungszustand des Papiers zu korrigieren, einschließlich der Position, der Orientierung, der Laufbahn, der Geschwindigkeit, der Auslenkung oder der Krümmung. In bevorzugten Ausführungsformen kann die Mehrzahl von gegenüberliegenden Luftstrahlen dazu verwendet werden, Zugkräfte- oder komprimierende Kräfte aufzubringen, um Papier abzuflachen, und die Luftstrahl-Steuereinheit kann dazu verwendet werden, Papier in seiner abgeflachten Position während eines Transports beizubehalten. Natürlich können andere Papierpositionen (zusätzlich zu flach) auch beibehalten werden, und zwar mit zum Beispiel der Vielzahl von gegenüberliegenden Luftstrahlen, die dazu verwendet werden, eine ausreichende Kraft zu erzeugen, um ausgewählte Unterbereiche des Papiers zu krümmen.

Es ist weiterhin eine praktische Alternative zu der Verwendung eines Siliziumwafers oder von Glassubstraten für einen Ventilaufbau und ein Tragen bei Papierhandhabungssystemen offenbart. Ein Mikrovorrichtungsventil, geeignet für ein Papierhandhabungssystem, kann zumindest teilweise aus einem dielektrischen Material aufgebaut sein, das ein Laminat bildet, und ist typischerweise innerhalb mehrfacher Laminatschichten eingebettet. Das Dielektrikum kann ein fasriges Gewebe bzw. Gewirke, ein extrudiertes, oder niedergeschlagenes Polymer, ein keramisches, oder ein anderes, dielektrisches Material sein, geeignet dazu, dass es ökonomisch in Abschnitte in einem Meter-Maßstab gebildet werden kann. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Laminatschicht ein dielektrisches Basismaterial und ein imprägniertes Bindeharz, wie es üblicherweise in dem Aufbau herkömmlicher, gedruckter Schaltungsleiterplatten eingesetzt wird. Das Mikrovorrichtungsventil kann in das Laminat eingebettet werden und kann mit mindestens einer metallischen, elektrischen Verbindung verbunden sein, die fotolithographisch auf dem Laminat gebildet ist, wobei die elektrischen Verbindungen der Vorrichtung ermöglichen, dass sie elektrisch mit Energie versorgt und gesteuert wird. In bestimmten Ausführungsformen werden elektroplattierte Metalle, wie beispielsweise Kupfer, aneinandergebondet, um einen Teil des Laminats zu bilden, wobei elektrische Verbindungen der Vorrichtung ermöglichen, dass sie elektrisch mit Energie versorgt und gesteuert wird. In bestimmten Ausführungsformen werden galvanisch beschichtete bzw. elektroplattierte Metalle, wie beispielsweise Kupfer, angebondet, um einen Teil des Laminats zu bilden, das geätzt oder in anderer Weise modifiziert werden kann, um bewegbare Komponenten herzustellen. Ein solcher Aufbau ermöglicht, zum Beispiel, Mikrovorrichtungsventile, die eine Klappe haben, bewegbare, frei aufgehängte Systeme, oder Diaphragmen. Vorteilhafterweise können herkömmliche Ätztechniken und Materialien, entwickelt für die Herstellung von gedruckten Schaltungsleiterplatten, für den Aufbau von neuartigen Mikrovorrichtungsventilen gemäß der vorliegenden Erfindung modifiziert werden. Wenn eine dimensionsmäßige Stabilität oder eine akkurate Beabstandung von großen Feldern von Mikrovorrichtungsventilen wichtig ist, kann das Laminat fest bzw. steif aus gewebtem Glas oder Harz mit hoher Bondfestigkeit, wie beispielsweise Epoxidharzen oder Polyimiden, aufgebaut werden. Umgekehrt kann, falls eine Flexibilität oder glatte Krümmungen in einer bestimmten Anwendung benötigt werden (z.B. ein Feld von mit Mikroventilen versehenen Luftstrahlen zum Unterstützen von Objekten, die in einem eng gekrümmten Durchgangsweg bewegt werden), ein flexibles Laminat, aufgebaut teilweise in der Form von Polymid-, Polyethylenterephthalat-, Aramid- oder Polyester-Dieelektrik-Filme und flexible Polyesterharze geeignet sein.

Vorteilhafterweise wird ein kostengünstiger Batch-Aufbau von groß dimensionierten Feldern aus Mikrovorrichtungsventilen zum Kontrollieren eines Papiertransports ermöglicht, wobei ein Aufbau im Meter-Maßstab, mit hunderttausenden von eingebetteten Mikrovorrichtungen, vorgesehen ist. Die Mikrovorrichtungsventile können miteinander verbunden sein oder können individuell mit Energie- und Steuerleitungen, durch fotolithographisch definierte und geätzte Leiterbahnen, verbunden sein. Typischerweise werden Aufbautechniken von herkömmlichen, gedruckten Schaltungsleiterplatten verwendet, und zwar mit galvanisch abgeschiedenem Kupfer, adhäsiv befestigt und als Teil eines fotochemischen Ätzprozesses gemustert, was elektrische Verbindungen für eine Energieversorgung, ein Steuern oder ein Aufnehmen von erfassten Informationen von den Mikrovorrichtungsventilen schafft. Es wird ersichtlich werden, dass dann, wenn umfangreiche, elektrische Verbindungen erforderlich sind, mehrschichtige, fotolithographisch geätzte Leiterplatten vorteilhaft verwendet werden können. Zusätzlich können bewegbare oder teilweise nicht unterstützte Komponenten durch Opferätztechniken oder andere, geeignete MEMS-Batch-Verarbeitungstechniken zum Hinterschneiden oder dreidimensionalen Formen von Komponenten definiert werden. Die Verwendung solcher Opferätztechniken in Verbindung mit Laminaten von gedruckten Schaltungsleiterplatten ermöglichen vorteilhafterweise einen kostengünstigen Aufbau von Ventilen, Sensoren und Leitungssystemen im Mikron- bis Millimeter-Maßstab.

Insbesondere können Mikroventile unmittelbar angrenzend an Kanäle, Durchgangswege oder Öffnungen, definiert in dem Laminat oder unterstützt durch dieses, eingebettet oder befestigt werden. Die Kanäle ermöglichen eine Fluidstömung, während die Mikrovorrichtungen, eingebettet in dem Laminat, die Kanäle schneiden, um entweder ein Ventil- oder einen Fühlmechanismus zum Wechselwirken mit der Fluidströmung zu schalten. Fluidkanalsysteme können so aufgebaut sein, um eine erste Laminatschicht, aufgebaut aus einem dielektrischen Basismaterial, imprägniert mit Harz, mit einer ersten Öffnung, definiert dort hindurch, und eine zweite Laminatschicht, die eine zweite Öffnung dort hindurch besitzt, zu haben, wobei die zweite Öffnung in Bezug auf die erste Öffnung so positioniert ist, um nur teilweise zu überlappen, was einen angewinkelten Kanal durch die Kombination der ersten Laminatschicht und der zweiten Laminatschicht definiert. Typischerweise sind die Öffnungen vom Millimeter-Maßstab und werden so gebohrt oder gestanzt, dass sie einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt haben, obwohl natürlich andere, geeignete Querschnitte eingesetzt werden können. Die Kanäle können beschichtet sein, um Kanten zu glätten, und können so verbunden sein, um dort hindurch (unter der Annahmen, dass ein Ventil nicht vorhanden oder geschlossen ist) Fluid von einer Hochdruckquelle zu einer Umgebung unter niedrigem Druck zu überführen. Die US-A-4 986 942 offenbart ein Form-Modul zum Formen von Öffnungen bzw. Anschlüssen in einer zylindrischen Hülse, die eine erste und eine zweite Hälfte aufweist, die einen Hohlraum definieren, und einen mittleren Kern, der in den Hohlraum einsetzbar ist. Die Anschlussöffnung ist mittels eines fixierten Elements, befestigt an einer der Werkzeughälften, und einem bewegbaren Kern, der in die Mitte des Kerns hinein verlängert oder davon zurückgezogen werden kann, um so mit dem fixierten Element zusammenzuwirken, um die Anschlussöffnung zu definieren, gebildet. Alternativ ist, für bestimmte Ausführungsformen, ein geformter Kunststoffkanal, einbettbar in eine Laminatstruktur, erwünscht. In diesem Umfang wird, gemäß der vorliegenden Erfindung, eine Spritzform gebildet, wie sie in Anspruch 1 definiert ist. Wie ersichtlich werden wird, können, für die meisten Anwendungen von großen Feldern, Form-Module, mit Kanälen unter verschiedenen Winkeln angeordnet, um eine entgegengesetzte oder divergierende Fluidstrahlströmung zu ermöglichen, ver wendet werden, um geeignete Kanalsysteme zu erzeugen.

Solche Felder im großen Maßstab von Mikrovorrichtungen zum Kontrollieren einer Fluidströmung können einfach mit zentralisierten oder verteilten Steuereinrichtungen durch mittels Lithographie geformten, metallischen, elektrischen Verbindungen verbunden werden. In Verbindung mit geeigneten Sensoren und Fluiddruckquellen können diese Felder verwendet werden, um präzise eine Fluidströmung zu steuern, Objekte, wie beispielsweise Papier, zu unterstützen, und sogar elektrische Ladung, Farbstoffe, Tinte oder Chemikalien einzuspritzen.

Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Bilden mindestens eines winkligen Kanals in einem laminierten Substrat, wie es in Anspruch 3 definiert ist, geschaffen.

Zusätzliche Funktionen, Aufgaben, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden unter Betrachtung der folgenden Beschreibung und der Zeichnungen von bevorzugten Ausführungsformen ersichtlich werden.

1 zeigt einen Teil einer Fördereinrichtung zum Bewegen von Papier, die beispielhafte Luftstrahlstrukturen und Mikrovorrichtungssensoren darstellt;

2 zeigt eine Teilansicht eines Papierhandhabungssystems, das eine Fördereinrichtung mit Luftstrahlen und Mikrovorrichtungssensoren besitzt, so, wie dies in Bezug auf 1 dargestellt ist;

3 zeigt eine Ansicht, die einen Aufbau von abgewinkelten Luftstrahldüsen unter Verwendung von abgestuften Bohrstrukturen in einem Laminat darstellt;

4 zeigt eine Draufsicht der abgewinkelten Luftstrahldüsen der 3;

5 zeigt eine Ansicht der Luftstrahldüsen der 3 und 4 mit abgestuften Kanten, die geglättet sind;

6 zeigt eine Draufsicht einer geformten Luftstrahlkanaleinheit, wie eine solche, die in 1 dargestellt ist;

7 zeigt eine Seitenansicht der geformten Luftstrahlkanaleinheit der 6, wobei obere und untere Formen dazu verwendet werden, eine solche Kanaleinheit, die auch dargestellt ist, herzustellen;

8 und 9 zeigen jeweils eine Seiten- und Oberseitenansicht eines elektromagnetischen Ventils, das eine einzelne Spule zum Steuern eines Ventilschließens besitzt;

10 zeigt eine Seitenansicht eines elektromagnetischen Ventils, das Doppel-Spulen besitzt, befestigt gegenüberliegend zueinander;

11 zeigt eine Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform eines elektromagnetischen Ventils, das eine einzelne Spule besitzt;

12 zeigt eine Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform eines elektromagnetischen Ventils, das eine einzelne Spule, befestigt an einer bistabilen Membran, besitzt;

13 zeigt eine Seitenansicht eines Klappenventils;

14 zeigt eine Oberseitenansicht eines alternativen Klappenventils, Adressierleitungen darstellend; und

15 zeigt eine Oberseitenansicht einer Klappenventilanordnung.

Ein Teil eines Mikrovorrichtungs-Tragesystems 10 für eine Objektfördereinrichtung 120, die eingebettete Mikrovorrichtungen besitzt, ist in den 1 und 2 dargestellt. Mikrovorrichtungen können Luftströmungskanäle, Mikrovorrichtungssensoren, wie beispielsweise thermische Bewegungs-, Vibrations-, optische, akustische, oder andere Detektoren, und mikrofluide Steuereinrichtungen, wie beispielsweise Ventile, geeignet für eine Strömungskontrolle, umfassen. Objekte, die für einen Transport in einer Fördereinrichtung 120 geeignet sind, können Papier, Kunststoffe, Halbleiter-Wafer, Keramiken, Metalle, Holz, oder irgendein anderes, herkömmliches Material oder Gegenstände, die herzustellen sind, umfassen. Es ist anzumerken, dass die Beschreibung der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit der Objekt-Fördereinrichtung 120 nur zu erläuternden Zwekken dient, und unter geeigneten Umständen ermöglicht die vorliegende Erfindung, dass das Mikrovorrichtungs-Tragesystem 10 Sensoren oder Mikrovorrichtungs-Aktuatoren zum Erfassen, zum Führen, zum Manipulieren oder zum Steuern einer breiten Vielfalt von Objekten und Prozessen zu tragen, einschließlich solcher, die einer Fluidkontrolle, einem optischen Erfassen, einem thermischen Erfassen oder einem Etikettieren zugeordnet sind, oder sogar für elektrostatische, xerographische, Laser- oder Tintenstrahldruckprozesse, anwendbar ist. Auch muss, wie ersichtlich werden wird, die Fördereinrichtung 120 nicht mit Luft betrieben werden, sondern kann teilweise durch Bänder, Reibungsantriebe, Gleitteile, Rutschen, mechanische Greifeinrichtungen, Vakuumbefestigungsmechanismen, oder irgendeine andere, herkömmliche Fördereinrichtung oder einen Antriebsmechanismus, positioniert angrenzend an, zum Beispiel, einen Mikrovorrichtungssensor, eingebettet in das Mikrovorrichtungs-Tragesystem 10, ersetzt werden.

Wie in den 1 und 2 zu sehen ist, kann das Mikrovorrichtungs-Tragesystem 10 zahlreiche Mikrovorrichtungen aufweisen, umfassend Felder aus Luftkanälen 26, Ventilen 27 und Sensoren 28, alle befestigt an, eingebettet in oder tatsächlich gebildet aus, ganz oder teilweise, Laminaten aus mit Harz imprägnierten, dielektrischen Leiterplatten, die metallische, elektrische Verbindungen haben, fotolithographisch gebildet und geätzt auf dem Laminat unter Verwendung von herkömmlichen Techniken für gedruckte Schaltungen. Die Luftkanäle 26 können offene oder geschlossene Kammern, Öffnungen, Aufnahmen oder einen anderen geeigneten Hohlraum, um eine Fluidströmung dort hindurch zu ermöglichen, auch um Sensoren oder Mikroaktuatoren aufzunehmen, umfassen, sind allerdings nicht hierauf beschränkt.

In 1 umfasst die Fördereinrichtung sechs aneinandergebondete Laminate 51-56, gebildet aus gewebtem Glas, imprägniert mit einem Epoxidharz oder einem anderen, polymeren Bindemittel, um einen festen, dimensionsmäßig stabilen, dielektrischen Träger für Luftkanäle 26, Mikroaktuatoren, wie beispielsweise Ventile 27, und Sensoren 28 zu schaffen. Wie ersichtlich werden wird, können geeignete Laminate aus Kombinationen der dielektrischen Basismaterialien und aus weit verbreitet erhältlichen, polymeren Harzmitteln gebildet werden. Zum Beispiel können dielektrische Materialien, wie beispielsweise Papier, Papier-Glas-Zusammensetzungen, Glasmatten oder -fritten, Aramide, Polyethylene oder gewebte Gläser als ein Basismaterial, alleine oder in Verbindung mit Füllern, wie beispielsweise keramischen Mikrokügelchen, Tonpulvern oder anderen, dielektrisch-, hygroskopisch- oder die Flexibilität modifizierenden Mitteln, verwendet werden. Diese Basismaterialien können mit Phenolharzen, Epoxidharzen, Polyestern, thermoplastischen Materialien, wie beispielsweise Polytetrafluoroethylen oder Polysulfonen, oder Polyimiden, kombiniert werden, wobei die bestimmte, ausgewählte Kombination von Kostenbeschränkungen, den erwünschten, dimensionsmäßigen, dielektrischen, fungiziden und thermischen Charakteristika abhängt, und anderen Faktoren, die für Fachleute auf dem Gebiet des Aufbaus von gedruckten Schaltungsleiterplatten bekannt sind. Durch geeignete Kombinationen von Materialien kann ein Aufbau von Laminaten, die bestimmte Kombinationen von Eigenschaften haben, gebildet werden. Zum Beispiel kann, falls eine akkurate Beabstandung von großen Feldern aus Mikrovorrichtungen wichtig ist, das Laminat gemäß FR-4 oder FR-5 Standards aus gewebtem Glas und einem selbstverlöschenden Epoxidharz mit einer hohen Bondfestigkeit aufgebaut werden. Umgekehrt können, falls Flexibilität oder glatte Kurven in einer besonderen Anwendung benötigt werden (z.B. ein Feld aus mit Mikroventilen versehenen Luftstrahldüsen zum Tragen von Objekten, bewegt in einem enggekrümmten Durchgangsweg), ein flexibles Laminat, aufgebaut teilweise aus Polyimid-, Polyethylenterephthalat-, Aramid- oder dielektrischen Polyester-Filmen, und flexible Polyesterharze verwendet werden.

Zusätzlich zum Aufbauen von Laminaten unter Verwendung von herkömmlichen Komposits für eine gedruckte Schaltungsleiterplatte können alternative, dielektrische Laminat-Strukturen verwendet werden, die, insgesamt oder teilweise, gewebte, mit Glas/Harz imprägnierte Laminate ergänzen oder ersetzen. Zum Beispiel ist, für bestimmte Anwendungen, die Verwendung von Kunststofffilmen, Metallen, Gläsern, Keramiken, spritzgegossenen Kunststoffen, elastomeren Schichten, ferromagnetischen Schichten, Opferfotoresistschichten, Formspeichermetallschichten, optische Leiterschichten, auf Polymer basierende Lichtanzeigen oder Lichtgeneratoren, oder ein anderes, geeignetes Material vorgesehen. Diese können klebemäßig an einer mit Harz imprägnierten, dielektrischen Leiterplatte angebondet werden, oder ein Laminat-Komposit bilden, das eingebettete Mikrovorrichtungen selbst besitzt. Wie ersichtlich werden wird, ist ein Adhäsiv-Bonden nicht erforderlich, um Laminate, die Vorrichtungen tragen, zu bilden, wobei alternative Schicht-Aufbringungs- oder Konstruktions-Techniken, wie mehrfaches Überbeschichten, möglich sind.

Wie ersichtlich werden wird, können verschiedene Schichtherstelltechniken zum Definieren der Laminat- oder Mikrovorrichtungs-Strukturen gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden. Zum Beispiel können Mikrovorrichtungssensoren oder -aktuatoren über ein Oberflächenätzen von strukturellen Mikrovorrichtungs-Komponenten auf zwei oder mehr Laminat-Streifen erzeugt werden, gefolgt durch ein sandwichartiges Zwischenfugen der Streifen, um eine Arbeits-Mikrovorrichtung, eingebettet in die Laminatschichten, zu bilden. Alternativ ist, in bestimmten, bevorzugten Ausführungsformen, die Verwendung von Opferschichten während eines Laminat-Aufbaus vorgesehen. Nach einem schichtmäßigen Aufbringen von zusätzlichen Laminatschichten auf der Oberseite der Opferschicht (typischerweise Fotoresist, ein einfach erodierbarer Kunststoff, oder ein chemisch ätzbares Material), kann die Opferschicht teilweise oder vollständig entfernt werden, um freistehende, aufgehängte oder bewegbare, verlängerte Mikrobetätigungsstrukturen, wie beispielsweise freitragende Stäbe, bewegbare Klappen, Kühlschlitze und Diaphragmen (die äquivalent zu einem frei aufgehängten Balken, verstiftet an allen Kanten, angesehen werden können) zu belassen. In noch anderen Schichttechniken kann ein selektives oder gemustertes Niederschlagen verwendet werden, um teilweise oder vollständig Laminatschichten aufzubauen. Alternativ können Kammern oder Aufnahmen zum Halten von Mikrovorrichtungen oder Mikrovorrichtungs-Komponenten durch die Sandwich- oder Opfer-Techniken erzeugt werden, wie dies zuvor beschrieben ist, durch Bohren, durch Stanzen, durch Formen mittels Form, oder in irgendeine andere, herkömmliche Technik, die für Fachleute auf dem betreffenden Fachgebiet bekannt ist. Mikrovorrichtungen können gebildet, niedergeschlagen, eingelagert oder in anderer Weise in die durch das Laminat definierte Kammer eingebettet werden.

In Abhängigkeit von der bestimmten Laminat-Aufbau-Technik, die eingesetzt ist, können Luftkanäle 26 direkt gebohrt, gestanzt, durch eine Form gebildet werden, und zwar aus Kunststoff, um eine separate Laminatschicht zu erzielen, oder auch mittels Form geformt und später in einen ausgebohrten Abschnitt einer Laminatschicht eingebettet werden. Kanäle können kreisförmige, dreieckige, elliptische, rechtwinklige oder quadratische Querschnitte haben (wobei Kanäle mit nicht kreisförmigem Querschnitt allgemein gestanzt oder durch eine Form geformt werden). Zum Beispiel können, wie anhand der 1 und der 3-5 gesehen werden kann, Luftkanäle abgewinkelte Luftkanäle 31, 32, 33 und 34 besitzen, die einen annähernd kreisförmigen Querschnitt haben, gebildet durch ein versetztes Bohren durch aufeinanderfolgende Laminatschichten hindurch. Dies ist am besten in den 3 und 4 zu sehen, die jeweils eine Seiten- und Draufsicht von entgegengesetzt gerichteten, abgewinkelten Luftkanälen 31 und 32 zeigen. Die gebohrten Löcher sind angedeutet in 4 gezeigt, um besser die überlappende Orientierung der gebohrten Löcher anzuzeigen. Wie gesehen werden kann, besitzt jede Laminatschicht 51–56 senkrechte Löcher, dort hindurch gebohrt, wobei die gebohrten Löcher leicht von Schicht zu Schicht in eine Längsrichtung versetzt sind, um einen Kanal in dem Laminat-Stapel, abgewinkelt unter ungefähr 45 Grad in Bezug auf die senkrechte Richtung des Laminats, zu erzeugen. Scharfe Kanten in dem Kanal können durch eine Nach-Laminierungs-Verarbeitung geglättet werden, wobei ein geeignetes Polymer oder Epoxidharz 36 in den Kanal über Eintauchen, Schleuderbeschichtung, Injektion, oder einen anderen, geeigneten Prozess, beschichtet wird. Natürlich können andere Techniken zum Glätten von Kanten auch verwendet werden, einschließlich solcher, die auf einer chemischen oder mechanischen Abrasion basieren, oder sogar thermisch basierende Techniken zum Bewirken eines Kunststoff-Reflows. Wie ersichtlich werden wird, können Modifikationen dieser Technik auch die Herstellung von Kanälen, abgewinkelt von der Senkrechten (z.B. 90 Grad abgewinkelte Kanäle) bis nahezu Horizontal (5 Grad abgewinkelte Kanäle) ermöglichen, wobei dieser unter 45 Grad abgewinkelte Kanal, der in 1 dargestellt ist, typisch ist. Durch versetzt gebohrte Löcher in sowohl einer lateralen als auch einer longitudinalen Richtung für aufeinanderfolgende Laminierungen ist es auch möglich, komplex gekrümmte oder spiralförmig verlaufende Kanalstrukturen aufzubauen. Die Verwendung von mehreren lateralen und longitudinalen Bohr-Mustern wird auch den Aufbau von komplexen Verteilern ermöglichen, wobei ein gemeinsamer Einlass zu mehreren Auslässen verzweigt oder mehrere Einlässe zu einem gemeinsamen Auslass zusammengeführt werden, wie dies erwünscht ist. Der Durchmesser der Kanäle kann von 10 Mikron bis zum Zentimeter-Maßstab variiert werden, wobei Öffnungen im Millimeter-Maßstab typisch sind, und zwar in Abhängigkeit von der bestimmten Anwendung.

Gemäß der Erfindung umfassen Luftkanäle 26 einen mittels Form geformten Kunststoffkanal 40, der einen abgewinkelten Luftkanal 42 besitzt, definiert durch einen geformten Körper 41. Der Kanal ist in die sechs aneinandergebondeten Laminate 51–56, durch Herausbohren geeigneter Abschnitte jeder Schicht und durch Einsetzen des geformten Körpers 41, eingebettet. Ein Aufbau des Kanals 40 ist am besten unter Bezugnahme auf die 6 und 7 zu sehen, die jeweils eine Draufsicht und eine Querschnittsansicht einer Form zum Aufbauen eines abgewinkelten Kanals darstellen. Wie am besten unter Bezugnahme auf 7 zu sehen ist, wird eine obere Form 47 in Kontakt mit einer Bodenform 48 gebracht. Jede Form 47 und 48 besitzt jeweils einen abgewinkelten Vorsprung 42 und 45, der sich unter einem vorbestimmten Winkel erstreckt, der zu dem erwünschten Kanalwinkel passt. Flächen jedes Vorsprungs 42 und 45 sind angepasst (wobei sich die Flächen unter einem leichten Winkel zu der Senkrechten treffen, um Probleme zu Verringern, die dimensionsmäßigen Toleranzen zugeordnet sind, und zwar in dem Fall eines Schlupfs oder einer anderen, leichten Fehlanpassung), und Kunststoff wird um die Vorsprünge herum spritzgeformt, um den Körper 41 und den Luftkanal 42 zu bilden. Wie ersichtlich werden wird, können Felder aus gewinkelten Kanälen unter Verwendung dieser Technik hergestellt werden, wobei Felder mit entgegengesetzt abgewinkelten Kanälen (wie dies in Bezug auf die herausgebohrten Kanäle 31–34 dargestellt ist) möglich sind. Wie ersichtlich werden wird, können große Felder auch separate Laminatschichten oder Bereiche von Laminatschichten bilden, ebenso wie sie individuell in das Laminat eingebettet oder daran befestigt werden können.

Wie in 1 zu sehen ist, können Ventile 27 in Luftkanälen 26 positioniert werden, um positiv eine Fluidströmung (einschließlich einer sowohl gasförmigen als auch einer wässrigen Fluidströmung, ebenso wie von Feststoffen, die in Gasen oder Flüssigkeiten enthalten sind) von einer Fluiddruckquelle 121 über die Kanäle 26 zu kontrollieren, um eine Kraft auf ein transportiertes Objekt auszuüben. Die Fluiddruckquelle 121 (typischerweise gefilterte Luft) kann durch ein Gebläse, durch eine Druckluftquelle oder irgendeine andere, herkömmliche Vorrichtung, die zum Modifizieren eines verfügbaren Fluiddrucks geeignet ist, erzielt werden. Ventile können ein elektrostatisch kontrolliertes Klappenventil 37, positioniert in dem Kanal 31, oder ein elektromagnetisches Ventil 43, eingebettet in den Kanal 42 des Ventils 40, umfassen. Gedruckte Kupfersteuerleitungen 63, elektrisch verbunden mit den Ventilen 27, können verwendet werden, um elektrische Signale zu erzielen, die die Ventile öffnen oder schließen. Zusätzlich zu elektrostatischen oder elektromagnetischen Ventilen können andere, herkömmliche Ventile, bekannt für Fachleute auf dem betreffenden Fachgebiet, verwendet werden, einschließlich, allerdings nicht darauf eingeschränkt, Klappenventilen, Ventilen mit bewegbarer Membran, Gleitventilen, Gelenk- oder Butterfly- bzw. Flügelventilen, piezoelektrischen, elektrorheologischen, thermoexpansiven oder Formspeicherlegierungs-Ventilen, bimorph basierenden, thermischen Ventilen, Dreh- oder sogar einfache durch Druck betätigten Federventilen.

Wie ersichtlich werden wird, können Mikroaktuatoren, wie beispielsweise Ventile 27, mit einer Vielfalt von Maschinenbearbeitungs- oder Mikromaschinenbearbeitungstechniken aufgebaut werden, einschließlich solcher, die der Herstellung einer herkömmlichen, integrierten Schaltungs- oder gedruckten Schaltungsleiterplatte zugeordnet sind. Zum Beispiel können chemische Ätz-, Elektronenstrahllithographie-, Fotolithographie-, Laserablations- oder andere Verarbeitungstechnologien für eine standardmäßige, integrierte Schaltung verwendet werden, um notwendige Ventilöffnungen zu definieren. Alternativ können eine Injektionsformung, numerisch gesteuerte Maschinen mit hoher Präzision oder eine Stereolithographie für einen Ventilaufbau eingesetzt werden. Materialien, verwendet zum Aufbau, können Kunststoffe, Metalle, Gläser oder Keramiken umfassen. In einer möglichen Ausführungsform können Kunststoffe, Epoxidharze, Glas, Silizium, Polysilizium, Siliziumnitrit, Siliziumoxid, Oxynitrit, Kunststoffe oder Metalle, wie beispielsweise elektroplattiertes Kupfer oder Aluminium, oder irgendein anderes, verfügbares Material, das für eine lithographische Verarbeitung geeignet ist, verwendet werden, um den notwendigen Mikroaktuator, das Ventil, das Ventilgehäuse, Ventilstrukturen oder Kanäle zu definieren. Elektroden können irgendein leitfähiges Metall oder ein Polymer sein, während bewegbare Komponenten aus elektroplattiertem Kupfer, Kunststofffilmen, aus mit Aluminium beschichtetem Mylar, plattiertem Nickel oder mit Polyemid sandwichartiges Aluminium aufgebaut werden. Große Felder der Mikroaktuatoren, die eine oder mehrere bewegbare Komponenten haben, können, in Feldern im Meter-Maßstab, die einige zehn oder sogar hunderte bis tausende von individuellen Mikroaktuatoren, verteilt über ein dielektrisches Substrat, gemäß der vorliegenden Erfindung, umfassen, sind vorgesehen.

Sensoren 28 werden dazu verwendet, Informationen zu liefern, oder für ein direktes oder indirektes Kontrollieren von Mikroaktuatoren, wie beispielsweise Ventilen 27. Sensoren 28 können thermische Sensoren 72, kapazitive Sensoren 73, Drucksensoren 74, optische Sensoren 70, oder irgendein anderes, herkömmliches Sensorsystem, umfassen, die in die Laminate 51–56 eingebettet sein können, als Teil davon aufgebaut sein können oder daran befestigt sein können. Typischerweise sind die Sensoren 28 vollständig in vordefinierten Kammern oder Aufnahmen eingebettet, wobei ein Kanal oder eine andere Zugangsöffnung in dem Laminat definiert ist, um ein Fühlen außerhalb des Laminats zu ermöglichen. Solche Sensoren werden, zum Beispiel, dazu verwendet, sich bewegende Objekte durch Ändern in den erfassten, thermischen und optischen oder elektrischen Eigenschaften zu erfassen, oder, in dem Fall der Vibrationssensoren 71, um Systemvibrationsfrequenzen zu überwachen und über irgendwelche Abnormalitäten zu berichten (es ist anzumerken, dass Vibrationssensoren vollständig in einer Laminatkammer eingebettet sein können, wobei keine Öffnungen bzw. Apertur eines externen Zugangs, ein anderer als elektrische Versorgungsverbindungen, erforderlich sind). Die Sensoren 28 können, ob sie nun für eine Objekt-Erfassung oder für eine System-Überwachung verwendet werden, mit den Ventilen 27 durch Kupfersteuerleitungen 61 verbunden sein, um eine lokale Ventilsteuerung zu erzielen, oder können, alternativ, mit einer zentralen Sensorsignalverarbeitungseinheit zur Analyse verbunden sein.

Die Verwendung des Mikrovorrichtungs-Tragesystems mit seinen zugeordneten Ventil- und Sensorfeldern als Teil eines Papierhandhabungssystems 110 wird unter Bezugnahme auf 2 dargestellt. Wie in 2 zu sehen ist, können Ventil- und Sensorfelder, wie sie unter Bezugnahme auf 1 angegeben sind, dazu verwendet werden, Objekte, einschließlich flexibler Objekte, wie beispielsweise Papier, zu bewegen. Ein solches Papierhandhabungssystem 110 kann zum Handhaben von Papierblättern 112 optimiert werden, ohne einen direkten, physikalischen Kontakt durch Walzen, Bänder oder andere, mechanische Transportvorrichtungen zu erfordern. Das Papierhandhabungssystem 110 besitzt eine Fördereinrichtung 120, unterteilt in einen unteren Abschnitt 122 und einen oberen Abschnitt 124. Zur Deutlichkeit ist der obere Abschnitt 124 aufgeschnitten, um besser eine Papierbewegung darzustellen, allerdings wird ersichtlich werden, dass der obere Abschnitt 124 und der untere Abschnitt 122 im Wesentlichen koextensiv sind. Die Abschnitte 122 und 124 werden in einer voneinander beabstandeten Beziehung beibehalten, um einen Durchgangsweg 123 dazwischen zu definieren, wobei der Durchgangsweg so dimensioniert ist, um einen berührungslosen Durchgang von Papier 112 dort hindurch zu erhalten. Jeder Abschnitt 122 und 124 besitzt eine Mehrzahl von unabhängig oder semi-unabhängig kontrollierten, einstellbaren Luftstrahldüsen 126 (so wie dies in Verbindung mit Kanal 26 der 1 vorgesehen werden kann), um dynamisch Papier 112 durch das System 110 zu unterstützen, zu bewegen und zu führen. Die Intensität oder die Richtung der Luftstrahldüsen 126 kann durch Mikrovorrichtungsventile in den Kanälen 126 kontrolliert werden, oder sogar durch die Verwendung von alternativen Mikrovorrichtungen, um eine Luftströmung zu richten, wie beispielsweise direktionale Schieber bzw. Flügel, Klappen oder andere, mechanische, die Luftströmung einschränkende Teile, die innerhalb der Kanäle 26 oder angrenzend dazu eingebettet sein können.

Die Fördereinrichtung 120 ist aus mehrfachen Laminatschichten mit eingebetteten, mikroelektromechanischen Steuereinrichtungen und Sensoren aufgebaut, wie dies in Verbindung mit 1 diskutiert ist. Wie ersichtlich werden wird, ist, unter Verwendung von entgegengesetzten und präzise steuerbaren Luftstrahldüsen in Abschnitten 122 und 124, die mehrfache, abgewinkelte Orientierungen haben, wie dies in Bezug auf Kanäle 31–34 dargestellt ist, dies ein Mechanismus, um vorteilhaft eine einstellbare Aufbringung einer Luftströmung auf entgegengesetzte Seiten des Papiers 112 zu ermöglichen, was dynamisch das Papier zwischen den Abschnitten 122 und 124 hält, während eine präzise Kontrolle einer Papierposition, einer Geschwindigkeit und einer Orientierung durch Aufbringen von vertikalen, seitlichen oder Längskräften (wiederum durch gerichtete Luftstrahlen) ermöglicht wird. Als ein zusätzlicher Vorteil ermöglicht die Verwendung von unabhängigen oder halb-unabhängigen, gesteuerten, einstellbaren Luftstrahlen ein dynamisches Erhöhen oder Verringern einer Luftströmung, gerichtet gegen Bereiche des Papiers 112, was eine gerade Richtung, ein Abflachen, ein Wellen, ein Entwellen oder eine andere, erwünschte Modifikation in der Papier-Topographie, ebenso wie Einstellungen in einer Papierposition, -orientierung und -geschwindigkeit, ermöglicht. Zusätzlich kann Papier von verschiedenen Gewichten, Größen und mechanischen Charakteristika einfach durch eine geeignete Modifikation der Luftströmung, aufgebracht durch Luftdüsen 126, unterstützt und beschleunigt werden. Zum Beispiel kann ein schweres, dickes und relativ unflexibles Papier vom Karton-Typ mehr Luftströmung von den Düsen 126 zum Unterstützen und Manövrieren erfordern, während ein leichtgewichtiges Papierblatt eine geringere Gesamtluftströmung erfordern kann, allerdings schnellere und häufigere Luftströmungseinstellungen, gerichtet durch die unabhängigen oder halb-unabhängigen Luftstrahldüsen 126, erfordern kann, um Flatter- oder Kantenwellungseffekte zu kompensieren. Vorteilhafterweise ermöglicht die Verwendung einer großen Anzahl von unabhängigen, mittels Ventil gesteuerten Luftstrahldüsen, dass diverse Papier-Typen und -Größen gleichzeitig transportiert werden können, mit geeigneten Modifikationen hinsichtlich der Luftströmungscharakteristika, die für jedes Papier in der Fördereinrichtung 120 vorgenommen werden.

Eine aktive, flexible Objektführung (von Papier 112), um Flatter- und andere, dynamische Probleme von flexiblen Objekten zu korrigieren, wird durch Vorsehen einer Fühleinheit 140 ermöglicht, die mit einer Mehrzahl von Sensoren, eingebettet in die Fördereinrichtung 120, verbunden ist. Die Fühleinrichtung 140 erfasst den Bewegungszustand von Papier 112 durch Integrieren von Information, empfangen von den eingebetteten Sensoren, die räumliche und dynamische Informationen zu der Bewegungsanalyseeinheit 150 liefern, die zum Berechnen einer relativen oder absoluten Bewegung des Papiers 112 von den empfangenen Sensor-Informationen geeignet ist, wobei Bewegungsberechnungen allgemein eine gesamte Position, Orientierung, Geschwindigkeit des Papiers 112, ebenso wie eine Position, Orientierung und eine Geschwindigkeit von Unterbereichen des Papiers 112 (aufgrund eines Ablenkens des Papiers 112), liefert. Typischerweise ist eine Bewegungsanalyseeinheit 150 ein Computer für allgemeine Zwecke, ein eingebauter Mikroprozessor, ein Digital-Signal-Prozessor oder ein zugeordnetes Hardware-System, das für Hochgeschwindigkeits-Bildverarbeitungsberechnungen geeignet ist, die zum Bestimmen einer Objektbewegung notwendig sind. Unter Verwendung dieser berechneten Bewegungs-Informationen schickt eine Bewegungssteuereinheit 152, verbunden mit der Bewegungsanalyseeinheit 150, Steuersignale zu der Fördereinrichtung 120, um geeignet eine Bewegung des Papiers 112 zu modifizieren, und zwar durch selektives Verringern oder Erhöhen einer Aufbringung der gerichteten Luftstrahlungen auf Unterbereiche des Papiers 112, um ein Flattern, ein Ausbauchen, ein Wellen oder andere, nicht erwünschte Abweichungen von dem erwünschten Bewegungszustand zu verringern. Wie ersichtlich werden wird, ist die Verwendung von diskreten Sensoren, von Bewegungsanalyseeinheiten und Bewegungssteuereinheiten nicht erforderlich, und zwar in Verbindung mit integrierten Bewegungsanalyse- und Bewegungssteueranordnungen, die vorgesehen sind. Tatsächlich ist es auch möglich, eine Mehrzahl von integrierten Sensoren, Bewegungsanalyseeinheiten und Bewegungssteuereinheiten als integrierte Mikrosteueranordnungen auf der Fördereinrichtung vorzusehen, wobei jeder Luftstrahl lokal oder halb-lokal in Abhängigkeit von lokal erfassten Informationen gesteuert wird.

Ob nun die Fühleinheit 140 eine diskrete Einheit ist oder mit Mikrosteuereinheiten integriert ist, muss, um eine Objekt-Position geeignet zu erhalten, die Fühleinheit 140 zuverlässig und akkurat sein, wobei sie idealerweise eine zweidimensionale, räumliche und temporale Auflösung besitzt, ausreichend für eine gesamte Führung des Papiers durch den Papiertransportweg mit einer Präzision im Submillimeterbereich, und eine dreidimensionale Führungsfähigkeit für sogar kleine Bereiche des flexiblen Objekts (typischerweise geringer als ungefähr 1 Quadratzentimeter, obwohl eine geringere Auflösung natürlich auch möglich ist). Weiterhin bewegt sich in vielen Prozessen das Objekt schnell, was weniger als ungefähr 1 bis 100 Millisekunden für Spurführungsmessungen zulässt. Natürlich sind optische Sensoren, Videobilderzeugungssysteme, Infrarot- und optische Kantendetektoren, oder bestimmte andere, herkömmliche Detektoren, in der Lage, geeignete räumliche und temporäre Auflösungen zu erzielen. Für die besten Ergebnisse werden zweidimensionale, optische Sensoren (wie beispielsweise ladungsgekoppelte Vorrichtungen (CCD's)) oder die Position erfassende Detektoren verwendet. Allerdings können geeignet angeordnete, eindimensionale Sensorfelder auch verwendet werden. Auch wird in Verbindung mit der Beschreibung der Erfindung unter Bezugnahme auf 1 ersichtlich werden, dass Sensoren, andere als optische Sensoren, verwendet werden können, einschließlich, allerdings nicht darauf beschränkt, von Drucksensoren, thermischen Sensoren, akustischen Sensoren oder elektrostatischen Sensoren.

Im Betrieb ermöglicht die Verwendung einer Fühleinheit 140 für eine Rückführungssteuerung einer Objektbewegung eine präzise Mikromanipulation eines Objektbewegungszustands. Für ein erläuterndes Beispiel ist das Papier 112 der 2 sequentiell in vier bestimmten Positionen, entlang der Fördereinrichtung 120, dargestellt, jeweils bezeichnet als Papier-Position 108, Papier-Position 114, Papier-Position 116 und Papier-Position 118. In der Anfangs-Position 108 bewegt sich das Papier 112 entlang eines gekrümmten Wegs, definiert durch einen flexiblen Bereich 130 der Fördereinrichtung, aufgebaut zumindest teilweise aus einem flexiblen Polyimid-Laminat. In der Position 114 wird das Papier 112 leicht fehlausgerichtet. Wenn das Papier 112 entlang der Fördereinrichtung 120 zu einer Position 116 hin durch die Luftstrahlen 126 bewegt wird, liefern die eingebetteten Sensoren Informationen, die ermöglichen, dass die Sensoreinheit 140 eine Zeitfolge von diskreten, räumlichen Messungen berechnet, die der momentanen Position des Papiers 112 entsprechen. Diese Elemente einer Zeitfolge von räumlichen Messungs-Informationen werden fortlaufend zu der Bewegungsanalyseeinheit 150 zugeführt. Die Bewegungsanalyseeinheit 150 verwendet die empfangenen Informationen (d.h. und der Sensor misst ein-, zwei- oder dreidimensionale, räumliche Informationen), um akkurat einen Bewegungszustand des Papiers 112 zu bestimmen, umfassend dessen Position, Geschwindigkeit und interne Papierdynamiken (d.h. Laufbahn der Bereiche des Papiers, die einer Wellung oder einem Flattern unterliegen). Diese Informationen (die zusammengefasst als „Laufbahn" bezeichnet werden können) werden zu der Bewegungssteuereinheit 152 zugeführt, die eine neue, erwünschte Laufbahn und/oder ein korrigierendes Ansprechen berechnet, um eine Abweichung von der erwünschten Laufbahn zu minimieren. Die Bewegungssteuereinheit 152 schickt Signale zu ausgewählten Luftstrahldüsen 126, um die Fehlausrichtung zu korrigieren, was das Papier 112 näher zu einer korrekten Ausrichtung bringt, so wie dies durch die Position 116 angezeigt ist. Dieser Rückführungssteuerprozess für ein geeignetes Orientieren des Papiers 112 durch mittels Rückführung kontrollierter Korrekturen in Bezug auf die Papier-Laufbahn (das Papier 112 ist nun räumlich an der Position 116 angeordnet) wird wiederholt, wobei die Laufbahn des Papiers 112 schließlich korrekt ausgerichtet wird, wie dies an der Position 118 dargestellt ist. Wie ersichtlich werden wird, kann dieser Rückführungssteuerprozess zum Modifizieren der Laufbahn von flexiblen Objekten schnell wiederholt werden, wobei Millisekunden-Zyklus-Zeiten durchführbar sind, falls ein schneller Sensor, eine schnelle Bewegungsverarbeitung und Luftstrahlsysteme eingesetzt werden.

Vorteilhafterweise dient die vorliegenden Erfindung zur Manipulation und Kontrolle einer breiten Vielfalt von Objekten und Prozessen. Zusätzlich zu einer Papierhandhabung können andere, steife Körper, wie beispielsweise Halbleiter-Wafer, oder flexible Gegenstände, die herzustellen sind, umfassend extrudierte Kunststoffe, Metallfolien, Drähte, Gewebe bzw. Gewirke oder sogar optische Fasern, in einer akkuraten, dreidimensionalen Ausrichtung bewegt werden. Wie ersichtlich werden wird, sind Modifikationen im Layout der Fördereinrichtung 120 vorgesehen, umfassend, allerdings nicht darauf beschränkt, die Verwendung von gekrümmten Fördereinrichtungen (mit einer Krümmung entweder in einer Prozessrichtung oder senkrecht zu der Prozessrichtung, um eine vertikale oder horizontale „Rückschaltung" („Switchbacks") oder Umlenkungen zu ermöglichen), die Verwendung von zylindrischen oder anderen, nicht linearen Fördereinrichtungen, oder sogar die Verwendung von segmentierten Fördereinrichtungen, separiert durch Bereiche, die nicht von Luftstrahldüsen unterstützt werden. Zusätzlich kann es möglich sein, die Fördereinrichtung 120 aus flexiblen Materialien, aus modularen Komponenten oder aus sich miteinander verriegelnden, segmentierten Bereichen aufzubauen, um ein schnelles und passendes Layout der Fördereinrichtung in einem Verarbeitungspfad mit erwünschten Materialien zu ermöglichen.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine einfache Erfassung und Korrektur einer Laufbahn, von Drehungen, leichten Fehlausrichtungen, dreidimensionalen Fehlausrichtungen aufgrund eines Flatterns, von Falten, umgeschlagenen Papierecken, oder anderen Orientierungsproblemen, in Bezug auf die es schwierig sein kann, sie schnell zu erfassen und eine geeignete Bewegungskompensation unter Verwendung von Standard-Material-Behandlungs-Bewegungs-Steuersystemen zu erzielen. Wie für Fachleute auf dem betreffenden Fachgebiet ersichtlich werden wird, ist ein geeigneter Aufbau einer Luftstrahldüse und deren Kontrolle bzw. Steuerung ein kritischer Aspekt der vorliegenden Erfindung. Typischerweise müssen Luftstrahldüsen in Bezug auf ein flexibles Objekt so aufgebaut und positioniert werden, um eine Aufbringung einer Kraft in der Größenordnung von einem Millinewton auf jede Seite des flexiblen Objekts zu ermöglichen, wobei die präzisen Kraftwerte natürlich von Material und dynamischen Eigenschaften des flexiblen Objekts zusammen mit der erwünschten Objekt-Beschleunigung und -Laufbahn abhängt. Für den besten Betrieb müssen die ausgeübten Luftstrahl-Kräfte schnell änderbar sein. Zum Beispiel würde in Bezug auf eine typische Öffnung mit 0,025 cm Durchmesser, die eine Länge von ungefähr 0,1 cm besitzt, erwartet werden, dass sie eine ihr eigene Ansprechzeit hinsichtlich einer Luftbewegung in der Größenordnung von 100 Millisekunden besitzt. Natürlich müssen Luftkanäle, Ventilansprechzeiten, Steuereinrichtungen, eine Bewegungsanalyse und Druckbedingungen so ausgelegt werden, um so miteinander wechselzuwirken, dass ein Luftstrahlbetrieb und eine -steuerung in Übereinstimmung mit einem Millisekunden-Zeit-Maßstab auftreten.

Um präzise eine Luftströmung durch die zuvor diskutierten Kanäle 26 der Luftstrahldüsen 126 zu steuern, sind elektromagnetische Ventile, aufgebaut teilweise unter Verwendung von herkömmlichen, gedruckten Chargen-Verarbeitungs-Techniken, besonders geeignet. Zum Beispiel stellen die 8 und 9 ein aktiv adressierbares, elektromagnetisches Ventil 200 dar, das teilweise aus bewegbaren Komponenten und Strukturen aufgebaut ist, die an Laminaten 202 gebildet sind, gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Laminate 202 werden gebohrt, geätzt, mittels Form geformt oder in anderer Weise modifiziert, um eine Kammer 203 zu definieren, die einen Einlasskanal 225 für eine nach innen gerichtete Luftströmung und einen Auslasskanal 226 für eine nach außen gerichtete Luftströmung, wie bei einer abgewinkelten Luftstrahldüse, haben. Eine kompressiv vorgespannte Membran 210, aufgebaut aus einem im Wesentlichen gleichförmigen Permalloy oder einem anderen, magnetisch suszeptiblen Material, ist in der Kammer 203 positioniert. Die Membran 210 ist so vorgespannt, um normalerweise das Ventil 200 zu schließen, indem der Auslasskanal 226 blockiert wird. Um das Ventil 200 zu öffnen erfordert dies ein elektrisches Adressieren (mit einer Reihen-Adress-Leitung 220 und einer Spalten-Adress-Leitung 222) einer elektrischen Leitung, wie beispielsweise einer planaren Kupferspule 216, gebildet aus einer dielektrischen Schicht 218 des Laminats 202. In Verbindung mit einer Permalloy-Schicht 214 erzeugt dies eine ausreichende, elektromagnetische Kraft, um die Membran zu einer Position 212 zu ziehen, was das Ventil öffnet, und ermöglicht, dass Druckluft in der Kammer 203 durch den Auslasskanal 226 entweicht. Wenn der Strom verringert wird, federt die mechanisch vorgespannte Membran 210 zurück in die Blockierposition, was das Ventil schließt.

10 stellt eine alternative Ausführungsform eines elektromagnetischen Ventils 230 dar, das auf einer aufgebrachten, mechanischen Bistabililtät für eine Membran 211 beruht, um eine Passiv-Matrix-Adressierung zu ermöglichen. Im Gegensatz zu der Membran 210 der 8, vorgespannt normalerweise so, dass sie geschlossen ist, ist die Membran 211 bistabil, so dass sie sowohl in einer geschlossenen Position, angezeigt durch durchgezogene Linien, als auch in einer geöffneten Position, angezeigt durch punktierte Linien 213, stabil ist. Das Ventil 230 ist sehr ähnlich zu dem Ventil 200 der 8 und 9, wobei es sich nur durch den Zusatz einer sekundären, planaren Kupferspule 217 unterscheidet (mit Reihen- und Spalten-Adress-Leitungen 221 und 223), gebildet auf einer dielektrischen Schicht 219 des Laminats 202, zusammen mit einer sekundären Permalloy-Schicht 215. Im Betrieb erzeugt ein elektrisches Adressieren der planaren Kupfer-Spule 216 eine ausreichende, elektromagnetische Kraft, um die Membran zu einer Position 213 zu ziehen, was das Ventil öffnet und ermöglicht, dass Druckluft in der Kammer 203 durch den Auslasskanal 226 entweicht. Wenn die Spannung verringert wird, wird die mechanisch vorgespannte Membran 211 in einer von deren zwei mechanisch stabilen Positionen belassen, so dass sie in dieser offenen Position verbleibt. Um das Ventil 230 zu schließen, können die Zeilen- und Spalten-Adress-Leitungen 221 und 223 transient elektrisch adressiert sein, was zu einer ausreichenden, elektromagnetischen Kraft führt, um die Membran zu deren ursprünglichen Blockierposition zu ziehen, was das Ventil schließt, und verhindert, dass Druckluft in der Kammer 203 über den Auslasskanal 226 entweicht.

Eine noch andere Ausführungsform eines bistabilen Ventils in Bezug auf ein elektromagnetisches Ventil 240 ist in 11 dargestellt. In dieser Ausführungsform ist eine bistabile Membran 242 sowohl in einer geschlossenen Position, angezeigt mit durchgezogenen Linien, als auch in einer geöffneten Position, angezeigt mit unterbrochenen Linien 244, stabil. Das Ventil 240 ist sehr ähnlich zu dem Ventil 200 der 8-9, wobei sich die Membran 242 von den gleichförmigen Permalloy-Membranen 210 und 211 durch die Verwendung einer Permalloy-Musterung unterscheidet, um eine gepolte, magnetische Schicht und Magnetfeldlinienmuster, angezeigt durch Linien 246, zu erzeugen. Im Betrieb bewirkt eine Spannungsadressierung der planaren Kupferspule 216 einen Stromfluss in den Spulen 216, um eine ausreichende, elektromagnetische Kraft zu erzeugen, um die Membran zu der Position 213 zu ziehen, was das Ventil öffnet und ermöglicht, dass Druckluft in der Kammer 203 durch den Auslasskanal 226 entweicht. Wenn der Strom reduziert wird, wird die mechanisch vorgespannte Membran 242 in einer deren zwei mechanisch stabilen Positionen belassen, so dass sie in dieser offenen Position verbleibt. Um das Ventil 230 zu schließen, können die Reihen- und Spalten-Adress-Leitungen 221 und 223 transient, elektrisch so adressiert werden, um eine Stromrichtung umzukehren, was zu einer ausreichenden, elektromagnetischen Kraft führt, um die magnetisch gepolte Membran zu deren ursprünglichen Blockierposition zu drücken, was das Ventil schließt, und verhindert, dass Druckluft in der Kammer 203 über den Auslasskanal 226 entweicht.

Ein noch anderes, geeignetes elektromagnetisches Ventil 250 mit einzelner Spule ist in 12 zu sehen. Wie bei dem Ventil 240 der 11 besitzt das Ventil 250 eine bistabile Membran 252, die sowohl in einer geschlossenen Position, angezeigt mit durchgezogenen Linien, als auch in einer geöffneten Position, angezeigt mit punktierten Linien 254, stabil ist. Ähnlich dem Ventil 240 erfordert das Ventil 250 nur eine einzelne Spule für einen bistabilen Betrieb, wobei eine Umkehrung der Stromrichtung in der Spule bewirkt, dass sich die Membran nach hinten und nach vorne zwischen der offenen und der geschlossenen Position bewegt. Allerdings trägt, im Gegensatz zu dem Ventil 240, die Membran 252 des Ventils 250 eine planare Spule 258 im Gegensatz zu der planaren Kupferspule, die durch eine dielektrische Schicht 218, wie bei dem Ventil 240, getragen ist. Im Betrieb bewirkt ein elektrisches Adressieren der planaren Kupferspule 258 einen Stromfluss in den Spulen 258, um eine ausreichende, elektromagnetische Kraft zu erzeugen, um die Membran zu einem gepolten Permalloy-Bereich 215 (N-S-Pole, angezeigt durch einen Pfeil 257, Magnetflusslinien, angezeigt durch Linien 256) an eine Position 254 zu ziehen, was das Ventil öffnet und ermöglicht, dass Druckluft in der Kammer 203 durch den Auslasskanal 226 entweicht. Wenn der Strom verringert wird, wird die mechanisch vorgespannte Membran 258 in einer deren zwei mechanisch stabilen Positionen belassen, so dass sie in dieser offenen Position verbleibt. Um das Ventil 250 zu schließen, können Adress-Leitungen übergangsmäßig, elektrisch so adressiert werden, um eine Stromrichtung umzukehren, was zu einer ausreichenden, elektromagnetischen Kraft führt, um die magnetisch gepolte Membran zu deren ursprünglichen, Blockierposition zu drücken, was das Ventil schließt, und verhindert, dass Druckluft in der Kammer 203 über den Auslasskanal 226 entweicht. Verglichen mit der vorstehenden, magnetisch gepolten Ausführungsform in 11, besitzt das Ventil 250 einen schnelleren Betrieb aufgrund der langsameren Induktanz und der geringeren Masse der planaren Spule relativ zu der übergangsmäßig erzeugten Permalloy-Magnetschaltung.

Zusätzlich zu elektromagnetischen Ventilen können andere Ventilstrukturen natürlich in der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Zum Beispiel stellt 13 ein einfaches, elektrostatisches Klappenventil 300 dar, gebildet unter Verwendung eines gebondeten Dual-Laminat-Substrat 305, das chargenweise aufgebaut werden kann, und zwar durch geeignete Modifikation von Aufbautechniken für herkömmliche, gedruckte Schaltungsleiterplatten. Wie in 13 gesehen werden kann, wird das Ventil 300 durch Laminieren an einer ersten Leiterplatte 305 und an einer zweiten Leiterplatte 307 gebildet. Die Leiterplatte 305 besitzt einen ausgebohrten Luftauslasskanal 326 und trägt einen Anker 324 und eine Klappe 310, beide im Wesentlichen aus geätztem Kupfer oder einem anderen Leiter, optional beschichtet mit einer isolierenden Schicht, wie beispielsweise Parylen, gebildet. Die zweite Leiterplatte 307 besitzt eine elektrische Leitung, wie beispielsweise umgebende Elektroden 322, die aktiv durch Reihen- und Adress-Leitungen (nicht dargestellt) adressierbar sind, um eine vorbestimmte Schwellwertspannung anzulegen, um die Klappe 310 gegen den Luftdruck, aufgebracht über einen ausgebohrten Lufteinlasskanal 325, zu halten. Da das Klappenventil normalerweise unter einem angelegten Luftdruck offen ist, erfordert, um das Ventil 300 zu öffnen, dies nur eine der Adressierleitungen, um die angelegte Spannung an die Elektroden 322 zu verringern, was der Klappe 310 ermöglicht, sich von den umgebenden Elektroden wegzubewegen, und was bewirkt, dass Druckluft durch den Auslasskanal 226 abgestrahlt wird. Wie ersichtlich werden wird, sind verschiedene Modifikationen dieses Ventil-Schemas vorgesehen, einschließlich, allerdings nicht darauf beschränkt, einer Umordnung der Klappe, um eine normal geschlossene Position, im Gegensatz zu einer normal offenen Position, beizubehalten.

Wie ersichtlich werden wird, werden diverse Ventilstrukturen durch geeignete Verwendung von Techniken für gedruckte Schaltungsleiterplatten/Mikroelektromechanikaufbautechniken ermöglicht. Als ein noch anderes Beispiel stellen die 14 und 15 jeweils passiv adressierbare, elektrostatische Klappenventile 340 und Klappenventilfelder 360 dar, die durch Löten, Kleben, Verwendung von fotomusterbaren Klebstoffen oder Laminaten, Elektroformungsherstelltechniken (in dem Fall des Klappenventils, das in 15 dargestellt ist), oder irgendwelchen anderen, herkömmlichen Befestigungstechniken aufgebaut werden können, um eine mechanisch bistabile Klappe 342 (oder Klappen 362 mit Klappen-Ankern 365 in 15), einbettbar in ein Laminat 341, zu bilden. In 14 deckt die Klappe 342 ein ausgebohrtes Loch 343 ab, und kann zwischen einer offenen und einer geschlossenen Position nur dann bewegt werden, wenn beide Elektroden 364 und 366 adressiert werden, wobei eine Spannungs-Adressierung einer einzelnen Elektrode unzureichend ist, um die Klappe 342 zu bewegen. Falls eine zusätzliche Bistabilität für irgendwelche Klappen-Desings, dargestellt in den 14 oder 15, benötigt wird, ist die Vorsehung von zusätzlichen Verriegelungs- oder „Fang" Elektroden, die ein Beibehalten einer kleinen, konstanten Spannung ermöglichen, um eine Klappe in einer Position bis zu einer Anlegung einer viel größeren Umschaltspannung zu halten, auch beabsichtigt.