JP2006322944A - 自動テスト装置のテストヘッド用マニピュレータ - Google Patents

Abstract

【課題】テストヘッドを正確且つ繰り返してドッキングできるマニピュレータを提供する。
【解決手段】ケーブル１０４の一端部に接続されたテストヘッド用１０８のマニピュレータ１０２である。マニピュレータ１０２は、テストヘッド１０８を支持しかつ一つの方向へのテストヘッドの細かい運動を可能にする手段であって、一対のアームと、複数の往復台であって、各々がアームの一つに摺動可能に取り付けられ、テストヘッドが複数の往復台の各々に結合される往復台とを備え記テストヘッドを支持する手段と、テストヘッド１０８を支持する手段に結合されていて、一つの方向へのテストヘッドの大まかな運動を可能にする手段と、大まかな運動を可能にする手段の一部に連結され、ケーブルの一部を、大まかな運動中にテストヘッドがケーブル力に影響されないように、大まかな運動を可能にする手段に固定するケーブル鎧金物１１０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、概ね、重量物体の正確な位置決めに関し、より詳細には自動テスト装置のテストヘッド部を位置決めする装置に関する。

自動テスト装置は、半導体チップメーカーにより使用される。半導体チップは、製造工程の出来る限り初期の段階でテストされて、欠陥のあるチップの処理に費やすコストを排除するようにされている。一般に、半導体チップは、該チップが製造される半導体ウエハの一部となっている間にテストをされる。この状態にある半導体チップをテストするには、通常半導体チップヘのアクセスとなるリード線が該半導体チップがウエハから分離されて包装されるまで付け加えられないため、プローブを直接に半導体チップ上に配置しなければならない。

プローブは、「テストヘッド」と呼ばれる自動テスト装置の一部分に取り付けられる。テストヘッドは、ケーブルを介して本体キャビネットに接続され、本体キャビネットにはテスト信号を発生分析するのに必要となる電子回路の本体部分が収容されている。テストヘッドの支持及び移動はマニピュレータによりなされる。

チップをテストするには、ウエハを検査装置と呼ばれる装置に取り付ける。テストヘッドは、次いで、操作者により移動されて、チップとプローブが接触する。テストヘッドはその位置に保持されて、テストが実施される。テストヘッドをチップとの電気的接触がなされる一定の位置へ移動して保持する工程は、「ドッキング」と呼ばれる。一旦ドッキングがなされると、検査装置がウエハを移動させて、該ウエハ上の個々のチップがテスト位置にくるようにして、テストが実施される。

様々な要因によってドッキング工程は非常に難しいものとなる。第１には、半導体チップが１平方インチの何分の１といった非常に小さいことである。何百ものテスト信号を半導体チップに接続しなければならないことがしばしばある。これらのテスト信号の接触点は、全て小さなチップ上に取り付けられなければならないことから、該接触点自体も非常に小さなものでなければならない。テストヘッドは、プローブの全てが接触点の全てと整合するように正確に位置決めされなければならない。

テストヘッドの重量が何百ポンドもあることから、テストヘッドを正確に位置決めするのは複雑なものとなる。このような重さになるのは、電子回路をテスト中のチップに出来る限り接近させて位置決めする必要があるからである。テストヘッドの移動は、斯かる重量により難しいものとなる。更に、テストヘッドにより過度の力が検査装置に加えられて、検査装置が変形することがある。検査装置の変形が大きくなると、プローブを検査装置内の半導体チップに対して正確に位置決めするのが非常に難しくなる。

別の複雑にする要因は、テストヘッドを本体キャビネットに接続するケーブルが非常に重く、ヒステリシスを示すことである。ケーブルの重量は何百ポンドにもなる。斯かるケーブルの重量によりテストヘッドに力が加えられることがある。ケーブルがヒステリシスを示すことから、これらの力がケーブルが移動する時に変化することがある。従って、マニピュレータは、力が変動してもテストヘッドを正確に位置決めしなければならない。

別の複雑にする要因は、同一の自動テスト装置に異なる検査装置を使用することがしばしばあることである。検査装置が異なれば、半導体チップの配列も異なったものとなる。マニピュレータは、検査装置のタイプの如何に拘わらず、テストヘッドをドッキングがなされるように位置決めしなければならない。テストヘッドは、ある場合には、プローブを下方に向けて検査装置の上方に水平に位置決めされる。その他の例では、プローブを上方に向けて検査装置の下方に水平に位置決めされる。その他の検査装置の場合には、テストヘッドは、プローブを横方向に向けて垂直に位置決めされる。更に、別の検査装置の場合には、テストヘッドは、水平と垂直の間のある角度に位置決めしなければならないことがある。

様々なデザイン技術を利用してドッキングを容易に行うようにされてきた。高精度製造技術を利用して、マニピュレータの弛みを殆どないものにすることが確実になされている。堅牢なストップがマニピュレータに組み込まれて、マニピュレータが繰り返し同一位置へ戻るようにされる。また、検査装置と、テストヘッドとの接触面積を出来る限り大きくして、撓みが平均したものとなるようにされる。

位置決めを容易にするとともに、テストヘッドの重量により生じる撓みを低減するために、カウンターウエイト案がビュークープ（Ｂｅａｕｃｏｕｐ）その他に許可された米国特許第４，９７３，０１５号や、全てスミス（Ｓｍｉｔｈ）に許可された米国特許第４，５２７，９４２号、第４，７０５，４４７号、第４，５８８，３４６号、第４，５８９，８１５号及び第５，１４９，０２９号等で提案されている。また、テストヘッドの重量により生じる問題点を改善するために、あるマニピュレータはモーターまたはその他の駆動機構を含んでいる。

ケーブルの重量の影響を低減するために、ケーブルの重量を支持する装置が提案されている。斯かる装置は、ホルト（Ｈｏｌｔ）等に許可された米国特許第４，８９３，０７４号及び第５，０３０，８６９号に示されている。
上記のデザイン技術を使用するにも拘わらず、現在のマニピュレータでは、テストヘッドと、検査装置とのドッキングを常に容易に行えるというわけではない。しばしば、２人でテストヘッドを所定の位置へ装着することが必要となることがある。テストヘッドのドッキングがなされているように見える時でさえ、時々数々の調節をして、集積回路チップ上のテストポイントの全てとの電気接触を達成することが必要になる場合がある。

前記の背景を念頭におくと、本発明の目的は、テストヘッドを正確且つ繰り返してドッキングできるマニピュレータを提供することである。
本発明の別の目的は、１人でテストヘッドのドッキングを可能にするマニピュレータを提供することである。
本発明の更に別の目的は、追従的な態様（ｃｏｍｐｌｉａｎｔ ｍｏｄｅ）で操作して、テストヘッドを正確に位置決めできるマニピュレータを提供することである。

前記及びその他の目的は、テストヘッドを保持するクレードル（ｃｒａｄｌｅ）を有するマニピュレータで達成される。クレードル内のテストヘッドを移動して微調節を行うことができる。大きな調節はクレードル自体を移動して行うことができる。クレードルにクランプを取り付けてケーブルを保持するが、該ケーブルは、クランプとテストヘッドとの間に若干の曲がりが設けられてテストヘッドの操作を容易に行えるようにして、微調節がなされるようにされている。

一実施例では、マニピュレータは、操作者の入力に応答してマニピュレータの様々な部材に取り付けられたモーター及びブレーキを制御する電子制御ユニットを含んでいる。一実施例では、マニピュレータは、電子制御ユニットに接続されたテストヘッド上の位置センサを含んでいる。電子制御ユニットは、位置センサからの入力を使用して操作者の参照フレームに対して与えられた方向指令をマニピュレータの参照フレームの指令に変換する。
別の実施例では、クレードル内のテストヘッドの動きが減衰されて、ドッキングを解除した時にテストヘッドが突然動くのを無くすようにされる。

更に、別の実施例では、マニピュレータは、若干量の追従性（ｃｏｍｐｌｉａｎｃｅ）を有して、ドッキング中に正確に繋ぎ合わさせることによりテストヘッドの最終位置調節が行えるようにされる。
別の実施例では、マニピュレータは、電子制御ユニットに結合されたヒートセンサを備えた静電放電装置を含んでいる。人が静電放電装置を身に着けているとヒートセンサが表示しなければ、電子制御ユニットは、テストヘッドの動きを禁止する。

図１は、半導体ウエハのテストに使用されるようなテスタ１００を示す。テストヘッド１０８は、検査装置（ｐｒｏｂｅｒ）または取扱装置（図示なし）へ連結または「ドッキング」し、該検査装置は、テストヘッド１０８に対してウエハを位置決めする。図１では、２台のテストヘッド１０８が図示されているが、しばしば１台のテストヘッドが使用される。
各テストヘッド１０８は、ケーブル１０４を介してテスタ１００に接続される。ケーブル１０４には数多くのワイヤまたは細いケーブルが収容されている。ケーブルは、非常に堅く且つ重い。

テストヘッド１０８は、マニピュレータ１０２により保持される。マニピュレータ１０２は、テストヘッド１０８を物理的に支持する。マニピュレータは、また、テストヘッド１０８を位置決めして検査装置または取扱装置（図示なし）にドッキングするのを可能にする。検査装置または取扱装置が異なるとドッキングするためのインタフェースの位置も異なってくる。テストヘッド１０８を任意のタイプの検査装置または取扱装置にドッキングするためには、マニピュレータ１０２は、テストとヘッド１０８を６つの自由度で移動できなければならない。
テストヘッド１０８は、非常に重く、重量が数千ポンドにもなる。マニピュレータ１０２は、テストヘッド１０８を容易且つ正確に所定の位置へ移動可能とする間に斯かる重量を支持しなければならない。更に、マニピュレータ１０２は、テストヘッド１０８が床に落下するのを確実に防止する特徴を含んでいなければならない。

これらの目的を達成するためには、マニピュレータ１０２は、一定の方向に所定の連続した動き、即ち、進行運動（ｃｏｕｒｓｅ ｍｏｔｉｏｎ）をするとともに、他の方向に微運動することが可能にされている。ケーブル１０４は、ケーブル鐙金物１１０で固定されており、該ケーブル鐙金物（ｃａｂｌｅ ｓｔｉｒｒｕｐ）により進行運動と微運動とが区別して行われる。

ケーブル鐙金物は、マニピュレータ１０２が進行運動をしてテストヘッド１０８を移動する時には、テスタ１００及び検査装置（図示なし）に対して移動する。反対に、マニピュレータ１０２がテストヘッド１０８を微運動により移動する時は、ケーブル鐙金物１１０は、テスタ１００に対して固定される。このように構成することで、微運動をする間にケーブル１０４に加えられる力の変化による影響がテストヘッド１０８へ及ぼさないようにされる。

ケーブル１０４は、ケーブル鐙金物１１０に固定され、該ケーブル鐙金物１１０と、ケーブル１０４のテストヘッド１０８への取付点との間のケーブル１０４の長さがケーブル鐙金物１１０と、テストヘッド１０８上のケーブル取付点との間の最大距離より長くなるようにされている。この構成により、ケーブル鐙金物１１０とテストヘッド１０８との間でケーブル１０４に曲がり１１２が生じる。ケーブル１０４は、概ね曲がらないが、曲がり１１２により、ケーブル１０４のケーブル鐙金物１１０とテストヘッド１０８との間の部分が自由に動くようにされるとともに、微運動を行っている間にテストヘッド１０８をより正確に位置決めすることが可能となる。

テストヘッド１０８の動きを容易にするために、マニピュレータ１０２がモータを含んでいて、１つ以上の方向に該マニピュレータを駆動するようにしても良い。斯かるモータの制御は、電子部品ハウジング１０６内に収容された電子部品によりなされる。マニピュレータ１０２は、また、ブレーキを含み、該ブレーキが解放されるとマニピュレータの移動が可能となる。これらのブレーキの制御は、電子部品ハウジング１０６内の従来の電子部品によりなされる。更に、マニピュレータ１０２の動きは、操作者またはテスタ１００及びマニピュレータ１０２を含むテストフロア（ｔｅｓｔ ｆｌｏｏｒ）の操作を制御するコンピュータにより出される指令に応答してコンピュータ制御されるようにしても良い。また、従来の制御用電子部品も電子部品ハウジング１０６内に収容するようにしても良い。
モータを制御し且つブレーキを解放する電子部品は、公知であるので明確には図示しない。同様に、モータを制御して物体を移動するコントロールアルゴリズムは公知である。斯かる多くのアルゴリズムはセンサを頼んでフィードバックを行う。本発明のマニピュレータとともに使用されるような任意の斯かるセンサは、明確に図示されていない。同様に、制御用電子部品をモータ及びブレーキに接続する配線は、当業界では公知のものであるから、明確に図示しない。

マニピュレータ１０２は、テストヘッドを該マニピュレータ１０２のべース（符号なし）から離間して保持する。このように位置決めすることによりマニピュレータ１０２にトルクが発生して、マニピュレータが転倒する恐れがある。マニピュレータ１０２の転倒を防止するために、マニピュレータ１０２をべースにおいて床に固定するようにしても良い。或いは、マニピュレータ１０２のべースに釣り合い重りを配置することが可能である。図１では、マニピュレータ１０２のべースがテスタ１００の下まで伸長している。この構成では、テスタ１００が釣り合い重りとして作用する。マニピュレータ１０２がテスタ１００から離れて位置決めされる場合には、鉄板等の釣り合い重りをマニピュレータ１０２のべース上に配置することが可能である。

図２を参照すると、マニピュレータ１０２が詳細に図示されている。マニピュレータ１０２は、べース組立体３００、支柱組立体４００、旋回アーム（ｔｗｉｓｔ ａｒｍ）組立体５００及びクレードル組立体６００の幾つかの組立体から構成されている。これらの組立体は図３乃至図６にそれぞれ詳細に図示されている。
図２には２組の矢印が図示されており、それぞれマニピュレータ１０２がテストヘッド１０８を移動する方向を図示している。矢印Ｕ−Ｄは垂直方向の運動を画定している。矢印Ｌ−Ｒは振り運動を画定している。矢印ＲＬ−ＲＲは回転運動を画定している。垂直運動、水平運動、振り運動及び回転運動は進行運動である。

垂直運動は、支柱組立体４００を入れ子式に移動させることで達成される。水平運動は、支柱組立体４００をべース組立体３００に対して平行移動させることで達成される。振り運動は、べース組立体３００に対して支柱組立体４００を回動することで達成される。回転運動は、旋回組立体５００を回動することで達成される。
矢印Ｉ−Ｏは内外（ｉｎ−ｏｕｔ）運動を画定する。矢印ＮＵ−ＮＤは「頷き（ｎｏｄ）」運動を画定する。矢印ΘＬ−ΘＲはΘ方向を画定する。内外、頷き及びΘにより微運動を画定する。
内外運動は、クレードル組立体６００中でテストヘッド１０８の両側を平行移動することで達成される。頷き運動は、テストヘッド１０８をクレードル組立体６００への取付点を中心に回動することで達成される。Θ方向への運動は、クレードル組立体６００に対してテストヘッド１０８の２つの側を差動平行移動させることで達成される。

クレードル組立体６００及び旋回アーム組立体５００の一部分は、進行運動中はテスタ１００（図１）に対して常に相対移動を行うが、斯かる進行運動中にテストヘッド１０８に対する相対移動は行わない。進行運動中のケーブル力の変化によってテストヘッド１０８が影響されないようにするために、ケーブル鐙金物１１０（図１）は、クレードル組立体６００またはテストヘッド１０８に対して相対移動しない旋回組立体５００の一部のいずれかに取付ておかねばならない。旋回アーム組立体５００は、ケーブル力に対して持ちこたえられるようにするのが容易であることから、該組立体へ取り付ける方が好適である。

ケーブル鐙金物１１０（図１）は、図２には明瞭に図示していない。ケーブル鐙金物１１０は、でき得る限り支柱組立体４００に接近して取り付けるのが好適である。しかしながら、ケーブル鐙金物１１０は、ケーブル１０４を支柱組立体４００から十分に離して保持して、テストヘッドが回動された時にケーブル１０４が支柱組立体４００に接触しないようにされている。また、図１に図示する如く、ケーブル鐙金物１１０は、支柱組立体４００に一方の側に位置決めされる。これにより、ＲＬの方向に少なくとも１８０°及びＲＲの方向に少なくとも９０°の回動が可能になる。この範囲の運動によりテストヘッド１０８が該テストヘッド１０８の上方または下方、または水平方向右側または左側にドッキング面を有する検査装置または取扱装置にドッキングすることが可能となる。

図３は、べース組立体３００を詳細に図示している。べース組立体３００の要素は、べースプレート３０２上に支持される。
脚３０４は、べースプレート３０２の下側に取付られる。該脚３０４は、ねじの切られた穴を通して取付られて、伸長または引込が可能にされている。脚３０４は、伸長されるとマニピュレータ１０２を静止位置に支持する。
また、キャスタ３０６も、べースプレート３０２及び安定バー３０８の下側に取り付けられる。脚３０４が引込まれると、キャスタ３０６が床と接触して、マニピュレータ１０２が容易に転動可能となる。
チューブ３１０は、べースプレート３０２の後部に位置決めされる。所望であれば、棒（図示なし）を該チューブ３１０内及びテスタ１００（図示）の下へ挿入して、マニピュレータ１０２の釣り合い重りの機能をさせるようにしても良い。
釣り合い重り３１２もまたべースプレート３０２の上に配置される。該釣り合い重り３１２は、鋼板を積み重ねた様な任意の重量物体であって良い。

プレート３１４は、回転軸受３１８とともにべースプレート３０２上に取り付けられる。プレート３１４は、支柱組立体４００（図４）を支持する。従って、回転軸受３１８により振り運動が可能となる。
平行な直線レール３１６がプレート３１４に取り付けられる。該直線レール３１６は、支柱組立体４００（図４）の直線軸受４０２を受けるようにされている。直線レール３１６及び直線軸受４０２を組み合わせることで水平運動が可能となる。

モータ組立体３２０はプレート３１４に対して支柱組立体４００を駆動するように接続される。モータ組立体３２０は、駆動されると伸長及び引っ込むことで直線運動を可能にするボールねじを含む。斯かるモータの使用は、任意のものである。
モータ組立体３２２は、振り運動のブレーキとして使用される。モータ組立体３２２は、また、駆動されると伸び或いは引っ込むボールねじを含む。該ボールねじは、軸受３１８の周りを輪状に取り囲むベルト（図示なし）に接続する。モータ組立体３２２が駆動されると、ベルトが締まったりまたは緩んで、それによって、振り運動に対する制動が加えられたり解放されたりする。
モータ組立体３２２の使用もまた任意である。回転軸受３１８の外側表面に歯を形成することで制動を達成するようにしても良い。次いで、ばねを装着したソレノイドを使用して、「短いラック」を押圧して歯に係合させたり、または、該短いラックを引っ込ませるようにする。短いラックは、回動しない歯が形成された部分である。歯が形成された軸受に押圧されて当接すると、軸受の回動が防止される。しかしながら、十分な力、例えば、１３．６０８ｋｇ（３０ポンド）を超える力が加えられると、短いラックと回転軸受との間で滑りが生じる。このように、振り方向において追従性が提供される。

図４は、支柱組立体４００の分解図である。支柱組立体４００は、支柱べースプレート４０４上に組み立てられる。直線軸受４０２は、支柱べースプレート４０４の下側に取り付けられて、前記に説明した水平運動を画定する。
支柱組立体４００は、複数の、本書では４つの平行な支柱部分を含んでいる。支柱部分４１４Ｄは、該支柱部分の２つの側に取り付けられた安定翼４１６を有する。支柱部分４１４Ｄは、安定翼４１６と同様に支柱べースプレート４０４に取り付けられる。支柱部分４１４Ｄは、支柱べースプレート４０４に垂直に取り付けられる。
直線レール４１８は、支柱部分４１４Ｄの正面に取り付けられる。直線軸受４２０は、支柱部分４１４Ｃの裏面に取り付けられて、直線レール４１８と係合する。これにより、支柱部分４１４Ｃが支柱部分４１４Ｄに対して垂直に摺動するのが可能となる。

直線レール４１８及び直線軸受４２０は、支柱部分４１４Ｂ及び４１４Ａ間のみならず支柱部分４１４Ｃ及び４１４Ｂ間でも同様に使用される。支柱部分４１４Ｃ、４１４Ｂ及び４１４Ａは、支柱べースプレート４０４に固定されない。しかしながら、支柱部分４１４Ａ、４１４Ｂ及び４１４Ｃは、支柱べースプレート４０４に到達するまで垂直に下方へ移動することができる。支柱部分４１４Ａ、４１４Ｂ及び４１４Ｃは、また、垂直に上方へも移動することができる。このように、支柱組立体４００は、入れ子式に収縮または伸長することができる。

支柱部分４１４Ｃの上方への垂直運動は、支柱部分４１４Ｃの裏面のストップタブ４２４に係合する支柱部分４１４Ｄのストップピン４２２により制限される。支柱部分４１４Ｂの上方への垂直運動は、支柱部分４１４Ｃのストップピン４２２により制限される。支柱部分４１４Ａの上方への運動は、支柱部分４１４Ｂのストップタブにより同様に制限される。全体的に見て、支柱組立体４００は、収縮された時の高さの約２倍まで伸長することが可能である。例えば、支柱組立体は、９１．４４ｃｍ（３フィート）の高さから１８２．８８ｃｍ（６フィート）の高さまで入れ子式に伸長収縮が可能となる。このようにして垂直運動が画定される。
支柱部分４１４は、平坦でない形状にされる。この形状により支柱組立体４００の安定性が一段と増すのである。また、斯かる形状により前記の支柱部分が一体にはまり込んで組立体のサイズの縮小が可能となる。しかしながら、任意の形状を用いることが可能である。

取付プレート４１２は、支柱部分４１４Ａに取り付けられる。取付プレート４１２により旋回アーム組立体５００（図５）の取付場所が画定される。アクメねじ４１０の上端も取付プレート４１２に取り付けられる。
アクメねじ４１０の下端は、伝動装置４０８に接続され、該伝動装置は、支柱べースプレート４０４に取り付けられる。伝動装置は、モータ４０６により駆動される。モータ４０６が起動されると、伝動装置がアクメねじ４１０を回動する。
アクメねじ４１０は、入れ子式に収縮伸長する部分により構成される。アクメねじ４１０は、回動して伸長または収縮を行う。このように、支柱組立体４００は、モータにより伸長または収縮を行う。
アクメねじ４１０は、十分な摩擦のあるねじを有しており、取付プレート４１２に付与された重力で収縮することはない。アクメねじは、モータ４０６に駆動されて初めて収縮する。垂直運動は、「復元駆動不可能（ｎｏｎｂａｃｋｄｒｉｖａｂｌｅ）」である。復元駆動不可能とは、たとえ駆動力が取り除かれても、一切の運動が起きないことである。

図４Ｂは、支柱組立体４００の駆動機構の別の実施例の断面図である。図４Ｂの駆動機構は、モータ４０６、伝動装置４０８及び図４Ａのアクメねじ４１０に取って替わるものである。
アクメねじ４１０の代わりにボールねじが使用される。ボールねじ４６０は、また、入れ子式に収縮伸長するねじであるが、アクメねじより摩擦が低く、従って、小型のモータで駆動することが可能である。

ボールねじ４６２の上端には歯車４６２が収容される。歯車４６２は、歯車４６４に接続し、歯車４６４は、モータ４５６の軸に取り付けられる。このように、回転運動は、モータ４５６からボールねじ４６０へ連結される。ボールねじ４６２の上端は、支柱部分４１４Ａに取り付けられ、駆動されると、支柱を伸長収縮する。アクメねじの代わりにボールねじを使用した場合には、モータ４５６は、ブレーキを含んで、垂直軸線が確実に復元駆動不可能となるようにしなければならない。
ボールねじ４６０の下端は、内部シリンダ４６８及び外部シリンダ４７０から構成される空気ピストン組立体４８０上に取り付けられる。内部シリンダ４６８は、外側に向けられた突起を有し、外部シリンダ４７０は、内側に向けられた突起を有している。これらの突起は、それぞれの端でほぼ気密シールを成してキャビティ４７２を形成する。しかしながら、斯かるシールは、依然として内部シリンダ４６８及び外部シリンダ４７０の相対運動を可能にしている。

キャビティ４７２は、レギュレータ（図示なし）等を介して圧縮されて一定の圧力にされる。各キャビティにおいて約２．８６ｋｇ／ｃｍ^２乃至約４．２２ｋｇ／ｃｍ^２（１平方インチ当たり４０乃至６０ポンド）の範囲の圧力が維持されるのが好適である。キャビティ４７４は、圧縮されずに通気口を設けて、外部シリンダ４７０に対して内部シリンダ４６８の運動が過度に制限されるのを排除される。
外部シリンダ４７０は、支柱べースプレート４０４に取り付けられる。十分な力が垂直軸線に沿って加えられると、内部シリンダ４６８が外部シリンダ４７０に対して移動する。このように、空気ピストン組立体４８０により垂直軸線に沿ってマニピュレータ１０２に追従性がある程度与えられる。

図５は、旋回アーム組立体５００の一部分解図である。旋回アーム５００は、回転軸受組立体５０２を介して取付プレート４１２（図４）に取り付けられる。回転軸受組立体５０２は、互いに自由に相対回転する外側リング及び内側リングを有する。
外側リング５０４は、取付プレート４１２に取り付けられる。内側リング５０６は、チューブ５１０に取り付けられる。必要な場合には、軸または延長部材を使用して、内側リング５０６及びチューブ５１０間の距離を測る。回転軸受組立体５０２がチューブ５１０の回動を可能にして、回転運動が画定される。
歯車５０８は、外側リング５０４に固定される。歯車５１２は歯車５０８に係合する。歯車５１２は軸５１４を介してモータ５１６に接続される。モータ５１６は、内側チューブ５１０に取り付けられる。軸５１４は、軸受ブロック５１８に支持され、該軸受ブロック５１８は、チューブ５１０に取り付けられる。

モータ５１６は、起動されると、チューブ５１０を駆動して回動する。このように、回転運動が行われる。モータ５１６は、クラッチ組立体を組み込んでいる。モータ５１６が起動されないと、クラッチ組立体が軸５１４の運動を防止する。このように、回転運動は、復元駆動不可能となる。
モータ５１６は、ばね５２０に取り付けられて、チューブ５１０に堅牢に取り付けられていない。ばね５２０は、穴５２２を貫通するピン（図示なし）により所定位置に保持される。この取付により、十分な力が加えられれば、モータ５１６が軸５１４を中心に回動可能となる。モータ５１６は、約２０°回動できるのが好適である。歯車５０８及び５１２の歯車比に基づくと、この回動によりチューブ５１０が約２°回動することになる。この若干量の回動により回動方向に追従性が生まれる。

ケーブルクランプ１１０（図１）は図５に明確に図示していない。しかしなが、ら、ケーブルクランプは、チューブ５１０に容易に取り付けることが可能である。チューブ５１０は、クレードル組立体６００の取付点を画定する。図６は、テストヘッドフレーム６０８を保持するクレードル組立体６００を示す。使用中においては、テストヘッドフレーム６０８がテストヘッド１０８（図１）を構成する電子部品を支持する。
背部６０２がチューブ５１０（図５）に取付られる。サイドアーム６０４は、背部６０２から伸長する。各サイドアーム６０４は、Ｕ字状の形状にされて、一切の微運動を可能にする機能を収容する。斯かる機能は、各サイドアーム６０４において同一である。
各サイドアーム６０４は、該サイドアーム６０４の全長に沿った一対のレール６１２を含む。該レール６１２には往復台６１０が載置される。

テストヘッドフレームは、該テストヘッドフレームから伸長するボルト６１４を含んでいる。これらのボルトは、テストヘッド１０８から伸長しており、一方の端においてねじが切られて、テストヘッド１０８への堅牢な取り付けが可能にされている。該ボルトの側壁６０４内へ突起している端は、ねじが切られていない。
ボルト６１４のねじの切られていない端は、トリントン（Ｔｏｒｒｉｎｇｔｏｎ）社から出されているパーツ番号６ｓｆ１０等の球形平面軸受により形成される回転継手（符号なし）を介して往復台６１０へ接続される。各サイドアーム６０４内の往復台６１０が一緒に移動すると、内外運動が画定される。

回転継手によりボルト６１４が該ボルトの軸線を中心に回動するのが可能となる。この回動により頷き運動が画定される。
回転継手は、また、ボルト６１４が往復台６１０の表面に垂直な平面において、往復台６１０に対して枢動するのを可能にする。この運動は、また、対向するサイドアーム６０４が同時に異なる方向に移動するのを可能にする。この異なる方向への移動によりΘ運動が画定される。

往復台６１０が反対方向に移動すると、往復台６１２間の距離が変化する。この距離の変化を行うために、サイドアームの一方の往復台６１０にボルト６１４を接続する軸受がボルト６１４が往復台６１０の表面に垂直に摺動するのを可能にする。
好適な実施例では、ボルト６１４が往復台６１０の表面に対して垂直に運動するのは、直接には可能にされていない。寧ろ、サイドアーム６０４が若干可撓性を有するようにされている。Θ運動中は、サイドアーム６０４が一体に曲がって、往復台６１０間の距離を一定に維持する。サイドアーム６０４は、鋼またはその他の比較的堅い材料から形成されるのが好適であるにせよ、該サイドアームの長さが長いことから、少量の可撓性が付与されてΘ運動が可能となる。高さが１５．２４ｃｍ（６インチ）、深さが５．０８ｃｍ（２インチ）及び厚さが０．７６２ｃｍ（０．３インチ）の鋼溝片が適切である。同様のサイズのアルミ片を使用して軽量化を図ることが可能である。

各サイドアーム６０４は、モータ６１８を含む。モータ６１８は、ベルト（図示なし）を介して等の従来の手段で往復台６１０に連結される。モータ６１８は、駆動して内外運動及びΘ運動を画定する。好適な実施例では、モータ６１８は、ボールねじを介して往復台６１０に連結されたステップモータである。ステップモータは、オープンループ制御を可能にするとともに、位置フィードバックセンサを不要にする。
モータ６１８は、クラッチ機構を含み、該クラッチ機構が解放されると、往復台６１０の移動が可能になる。モータ６１８のクラッチ機構は、モータ６１８を駆動せずに解放可能となるのが好適である。これにより、テストヘッド１０８（図１）が追従的な態様で移動して、内外運動及びΘ運動が可能になる。

頷き運動（ボルト６１４の軸線を中心にした回動）は、モータの駆動によって生じるものではない。概ね、ボルト６１４は、テストヘッド１０８の重心近傍に取り付けられる。従って、テストヘッド１０８の重量に拘わらず、頷き運動にはほとんど力を必要としない。頷き運動は、常に追従的な態様で行われる。
図１に示す如く、ケーブル１０４は、可能な頷き運動を一定の量制限する。好適な実施例では、頷き運動は、ストッパ（図示なし）等を介して拘束されて約±２°以下までとなる。テストヘッド１０８は、頷き方向にばね付勢されて、中立位置へ復帰するようにすることが可能である。

内外運動及びΘ運動は、モータ駆動制御にユニークな問題を提起する。クレードル組立体６００が回動可能なことから、内外運動及びΘ運動の絶対方向が変化できる。方向が変化できるから、前記運動に対する重力の方向が変化できる。モータ６１８のクラッチが解放されると、テストヘッド１０８（図１）が重力により移動するのが可能となる。重力の方向が変化できるから、モータ６１８が往復台６１０の各々を駆動して重力と釣り合いを取らなければならない方向は、常に同一ではない。
モータ６１８のクラッチが解放された時の突然の動きによりテストヘッド１０８が損傷するのを避けるために、各サイドアーム６０４は、空気ダンパ６２０を含む。モータ６１８のクラッチが解放されると、テストヘッド１０８（図１）は移動するが、その運動は非常にゆっくりとしたものであるから、テストヘッド１０８が損傷を受ける危険性は低減される。

マニピュレータ１０２は、一般に精密機械設計に使用される強い材料から組立られる。構造部材は、鋼または同様な材料から公知の製造技術を用いて形作られる。例えば、べースプレート３０２は、３．８１ｃｍ（１．５インチ）の鋼板から形成され、支柱部分４１４は、１．９０５ｃｍ（０．７５インチ）の鋼板から形成される。軸受組立体及びレールは市販されているものである。テストヘッド１０８の重量を支持できる任意の良質の軸受を使用することが可能である。
任意の公知の組立技術を使用することが可能である。鋼片は、溶接またはボルトまたはねじにより接合することが可能である。少なくとも幾つかの部品はねじで接合されて、マニピュレータ１０２の容易な搬送を可能にするのが好適である。旋回アーム組立体５００は、ねじで支柱組立体４００に取り付けられて、マニピュレータ１０２が幾つかの部分に分解されて搬送を容易にするのが好適である。

マニピュレータ１０２は、正確な位置決めを画定するテストヘッド及び（又は）検査装置インタフェースと連携して使用されることが予想される。斯かるインタフェースの一例は、１９９４年９月１日に出願された自動テスト装置用インタフェースと題する米国特許出願第０８／２９９，８３１号（参照として本書に組み込まれている）に記載されている。該特許出願は、検査装置のポストがテストヘッド上の一機構により把持されるといったインタフェースを画定している。この機構は、ポストを引っ張ることで、テストヘッドと、検査装置とを一体に引っ張るものである。該機構は、テストヘッドが検査装置に向かって引っ張られるに連れて適切に位置決めされるような形状にされている。

使用においては、マニピュレータ１０２は、一組のジョイスティック等の電子部品ハウジング１０６（図１）に接続された制御機構を含むことが予想される。斯かるジョイスティックは、制御電子部品に制御入力を与えるのに使用される。一つのジョイスティックを使用して進行運動を制御し、また、一つのジョイスティックを使用して微運動を制御するのが好適である。ジョイスティック制御入力をモータ制御信号に変換する制御アルゴリズムは公知である。
例えば、進行運動制御を最初に行ってテストヘッド１０８を位置決めする。次いで、微運動制御を行ってテストヘッド１０８を検査装置に十分に近づけて、検査装置／テストヘッドインタフェースにある正確な位置決め機構が係合される。正確な位置決め機構が一旦係合すると、マニピュレータ１０２を追従的な態様に入れることが必要となる。

マニピュレータ１０２は、モータ３２０及び３２２のクラッチを解放して、振り及び水平方向に追従性を発生させることで追従的な態様に入れられる。追従性は、モータ６１８のブレーキを解放することで内外及びΘ方向に発生することができる。上記で説明した如く、若干の量の追従性は、また、サイドアーム６０４及びその他の構造部材に備わっている可撓性によっても生じる。垂直方向の追従性は、空気シリンダ４８０により生じ、回転方向の追従性は、モータ５１６のばねマウントを介して生じる。頷き方向の追従性は、テストヘッドが頷き方向に回動自在となることから、一定の制限内で生じる。追従性により、正確な位置決め機構がテストヘッド１０８を、該テストヘッドを検査装置にドッキングさせるのに必要な正確な位置まで引っ張るのである。
一旦ドッキングされると、モータ３２０、３２２及び５１６のクラッチは、次いで、係合してテストヘッド１０８を必要な位置に保持する。

一実施例を説明してきたが、数多くの代替実施例または変形が可能である。例えば、図５は、歯車５０８が回転軸受５０２に取り付けられたものを図示している。回転軸受５０２の外側表面に歯を設けるようにして別個の歯車を不要にすることも可能である。
更に、マニピュレータは、様々な方向に追従性を与えるような構造とされると説明した。追従性は、テストヘッドを検査装置に対して位置決めするインタフェースを収容する検査装置またはその他の装置とドッキングする際に有益となる。斯かる外部位置決め装置を使用しない場合には、マニピュレータを追従性なしで作るのが好適であるかも知れない。
例えば、全ての運動をモータにより行う必要はない。モータは、テストヘッド１０８をより簡単に移動するのに使用される。振り運動は、重力またはケーブル力の影響を相殺する必要はなく、従って、モータで駆動される必要はない。同様に、微運動は、ケーブル力の影響を受けないから、モータ６１８を排除することが可能である。
しかしながら、たとえモータを取り除いても、あるクラッチ機構を使用して不要な運動を防止するのは好適である。

モータを排除する場合には、テストヘッド１０８またはマニピュレータ１０２の他の場所にハンドルを取り付けて移動を容易にするのが好ましい。斯かるハンドルは、クラッチ機構の解除を行う制御ボタンを含むことが可能である。
たとえモータを使用しても、テストヘッド１０８及びマニピュレータ１０２にハンドルを使用するのが好ましい。斯かるハンドルは、ジョイスティックに替えて制御入力を付与するのに使用される力センサを含むことが可能である。
更に、テストヘッド１０８に位置センサを設けるのが好ましい。斯かる位置センサは、制御入力を、操作者の座標スペースに対してテストヘッドの運動を生じさせるモータ指令に翻訳するのに使用することが可能である。
位置センサが使用される場合には、空気ダンパ６２０を取り除くことが可能である。テストヘッドのドッキングを解除する時には、テストヘッドの位置が最初に感知される。ドッキングの解除前にモータ６１８が起動されて、テストヘッド１０８の如何なる運動も無効にされる。

制御電子部品と連携してモータによる制御を使用することによりマニピュレータ１０２に多くの特徴を追加する機会が生まれる。例えば、ジョイスティックコントローラを腕時計に似たリストバンド上の一組のボタンに替えることが可能である。リストバンドは、また、静電放電を防止する接地装置として機能する。リストバンドは、また、該バンドが人に装着されているか否かを検出する温度センサを収容することが可能である。リストバンドが人に装着されていない場合には、マニピュレータ上の制御機能が機能禁止となる。このように、テストヘッドは、操作者が適切に接地されて静電放電の危険性が排除されないと移動することが不可能となる。斯かるセンサは、他のタイプの静電放電装置に組み込むことが可能である。

別の実施例は、テストヘッドを検査装置にドッキングする補助装置として光ビームを含む。１つ以上の光ビームがテストヘッドの下側の特定の点から放出される。検査装置にマーカーが含まれて、テストヘッド上の前記の点と整合すべき検査装置上の特定の点を表示する。光ビームとマーカーとの間の関係を監視することによって、操作者は、テストヘッドをどの方向に移動させて適切なドッキングを行う必要があるかを判断することが可能となる。更に、光ビームをテストヘッドから一定の固定した距離の平面に焦点を合わせることができる。検査装置がこの平面内にあるようにテストヘッドを位置決めすれば、全ての光ビームがはっきりと焦点をあわせる。光ビームのあるものが他の光ビームより鮮明に焦点を合わせた場合には、テストヘッドが検査装置に対して傾いていることを示す。従って、光ビームの位置及び照度を監視することにより操作者は、正確にテストヘッドの位置決めを行うことができる。

図２は、旋回アーム組立体５００が取付プレート４１２に対称的に取り付けられているのを図示している。旋回アーム組立体５００を非対称的に取り付ければ、テストヘッド１０８をマニピュレータ１０２の一方の側の検査装置により接近して移動することが可能となる。
更に、自動テスト装置用のテストヘッドを例に取って好適な実施例を説明したが、本発明のマニピュレータは、任意のタイプのテストヘッド、または、正確に位置決めしなければならないその他の重量物体をも位置決めするのに使用することが可能である。本発明は、たとえケーブルに接続されてあっても正確な位置決めを必要とする重量装置とともに使用すれば特に有益である。
従って、本発明は、添付の請求の範囲の趣旨及び範囲によってのみ制限されるべきものである。

使用中の本発明によるマニピュレータを図示した略図である。 本発明によるマニピュレータをより詳細に示した略図である。 図２のマニピュレータのべース組立体を示した略図である。 ４Ａは図２のマニピュレータの支柱組立体を示した略図であり、図４Ｂは、図４Ａの支柱組立体のコンプライアント駆動機構の断面図を示した略図である。 図２のマニピュレータの旋回アーム組立体を示した略図であり、 図２のマニピュレータのテストヘッドクレードルを示した略図である。

符号の説明

１００ テスタ １０２ マニピュレータ
１０４ ケーブル １０８ テストヘッド
１１０ ケーブル鎧金物 ３００ ベース組立体
４００ 支柱組立体 ５００ 旋回アーム組立体
６００ クレードル組立体

Claims (9)

1. ケーブル（１０４）の一端部に接続されたテストヘッド用のマニピュレータ（１０２）において、前記マニピュレータは、
   ａ）前記テストヘッドを支持しかつ少なくとも一つの方向への前記テストヘッドの細かい運動を可能にする手段（６００）であって、
   一対のアーム（６０４）と、
   複数の往復台（６１０）であって、各々が前記アームの一つに摺動可能に取り付けられ、前記テストヘッドが前記複数の往復台の各々に結合される、前記往復台（６１０）と、
   を備えた前記テストヘッドを支持する手段（６００）と、
   ｂ）前記テストヘッドを支持する手段（６００）に結合されていて、一つの方向への前記テストヘッドの大まかな運動を可能にする少なくとも一つの手段（５００）と、
   を備え、
   ｃ）前記大まかな運動を可能にする手段（５００）の一部に連結されたケーブル鎧金物（１１０）であって、ケーブルの一部を、大まかな運動中にテストヘッドがケーブル力に影響されないように、前記大まかな運動を可能にする手段に固定するケーブル鎧金物と、を備え、
   前記テストヘッドが前記往復台の少なくとも一つに、回転継手により連結されていることを特徴とするマニピュレータ。
2. 前記回転継手は、前記テストヘッドが前記往復台に接続される点により画定される共通の対称軸を中心に回動して、前記テストヘッドが前記アームにより画定される平面内で回動するのを可能にする請求項１に記載のマニピュレータ。
3. 更に、前記往復台を前記アームに関して同一方向または反対方向に摺動自在に移動する手段（６１２）を備えている請求項１又は２に記載のマニピュレータ。
4. 前記大まかな運動を可能にする手段が入れ子式に収縮伸長する支柱組立体（４００）と旋回アーム組立体（５００）とを備え、
   前記入れ子式に収縮伸長する支柱組立体が前記旋回アーム組立体に回動自在に取り付けられ、
   前記テストヘッドを支持する手段が前記旋回アーム組立体に接続されている請求項１ないし３の何れかに記載のマニピュレータ。
5. 前記旋回アーム組立体が、前記入れ子式に収縮伸長する支柱組立体に垂直な軸線を中心に回動する請求項４に記載のマニピュレータ。
6. 前記ケーブル鐙金物が、前記旋回アーム組立体の少なくとも１つの位置において前記入れ子式に収縮伸長する支柱組立体の上方へ伸長する請求項５に記載のマニピュレータ。
7. 前記大まかな運動を可能にする手段が、更に、べース組立体（３００）を備え、
   前記入れ子式に収縮伸長する支柱組立体が回転軸受（３１８）を介して前記べース組立体に連結されている請求項５又は６に記載のマニピュレータ。
8. 前記大まかな運動を可能にする手段が、更に、前記回転軸受を介して前記べース組立体に連結されたプレート（３１４）と、該プレートを前記入れ子式に収縮伸長する支柱組立体に連結する複数の直線軸受（４０２）とを備えている請求項７に記載のマニピュレータ。
9. テストヘッド（１０８）用のマニピュレータ（１０２）において、
   ａ）支柱べースプレート（４０４）と、
   ｂ）該支柱べースプレートに取り付けられた入れ子式に収縮伸長する支柱組立体（４１２、４１４、４１４Ａ乃至４１４Ｄ、４１６、４２０、４２２、４２４）と、
   ｃ）該入れ子式に収縮伸長する支柱組立体から伸長し、前記支柱べースプレートに対して移動自在となる前記テストヘッドを支持する手段（５００、６００）と、
   ｄ）前記支柱べースプレートと前記入れ子式に収縮伸長する支柱組立体の間に配置されていて、前記テストヘッドの垂直運動に対する追従的な運動を可能にする手段（４８０）と、
   前記支柱べースプレートに対して垂直方向に前記テストヘッドを駆動する手段（４１０、４６０）を備え、
   前記追従的な運動を可能にする手段が、前記テストヘッドを垂直方向に駆動する手段と前記支柱べースプレートとの間に追従性のあるマウント（４８０）を備えているテストヘッド（１０８）用マニピュレータ（１０２）。

Images