JP4511354B2 - テストヘッドを位置決めするための位置決め装置、テストヘッドを位置決めする方法、および電子テストシステムのテストヘッドのための位置決め装置 - Google Patents

Description

本発明は、概して、電子部品をテストするためのテストヘッドのための位置決めシステム、特に、電子部品をテストするためのテストヘッドの、上下方向（垂直方向）の自在な動きを提供する位置決めシステムに関するものである。

集積回路（ＩＣ）などの電子部品の自動テストでは、通例、テストされるアイテムを扱う「取り扱い装置」を含むシステムを使用する。取り扱い装置は、パッケージされた装置ハンドラー、ウエハプローバー、あるいは他の取り扱い設備であってもよく；使用する取り扱い装置のタイプは、テストが行われる製造あるいは開発のステージに依存してもよい。取り扱い装置は、各被テスト素子（ＤＵＴ）を電子的にテストする、テストソケット、プローブカードなどに接続された、備え付けのテスト部位へ、各被テスト素子（ＤＵＴ）を順番に導く。

電子テスト自体は、テストヘッドを含む、大きくて精巧な自動テストシステムにより提供される。テストヘッドは、多くの場合、電力、信号、および、場合によっては、テストヘッドのための冷却剤など、他の望ましいアイテムを運ぶケーブルによってメインフレームに接続されている。テストヘッドは、ＤＵＴへ電力およびテスト信号を供給する。精巧な装置の正確な高速テストを実現するために、テストヘッドは、多くの場合、高精度の高速電子回路を伴って高密度にパッケージされている。したがって、テストヘッドは、４０〜１０００キログラム程度以上、と、非常に重い。非常に精巧なテストヘッドでは、回路は、テストヘッドを通して冷却剤をポンプ輸送することを要してもよく、テストヘッドの重さのみならず、ケーブルの重さおよび弾性もかなり増すことになる。

テストの際には、信号劣化を最小にするために、テストヘッドは、取り扱い装置のテスト部位に可能な限り近づくよう配置しなければならない。したがって、テストヘッドは、取り扱い装置にドッキングする必要があってもよい。テストヘッド位置決めシステムは、取り扱い装置に対してテストヘッドを位置決めするために使用されてもよく、さらに、テストヘッドとさまざまな取り扱い装置のフレキシブルなドッキングおよびアンドッキングを容易にするよう設計されてもよい。テストヘッド位置決めシステムはまた、テストヘッド位置決め装置、あるいはテストヘッドマニピュレータと呼ばれる場合もある。テストヘッド位置決めシステムは、多数の特許で説明されており、重要なある特許については後述する。

ドッキングは、特許文献ではよく知られており、付記されている。例えば、特許文献１（スミス（Ｓｍｉｔｈ）による）では初期ドッキングシステムが説明されているが、その原理は今日でも一般に使用されている。特許文献２（ニ（Ｎｙ）他）および特許文献３（ホルト（Ｈｏｌｔ）他）は、現在のドッキングについての、さらに一般的な議論を提供し、いくつかのさらなるリファレンスを含んでいる。以下の議論では、適所において、若干の適切な概念がまとめられている。

所与のテストヘッドは、時に応じて、異なる取り扱い装置へドッキングすることが望ましい場合が多い。例えば、テストは、ある時間特定のパッケージされた装置ハンドラーで実行され、その後、他のパッケージされた装置ハンドラーに変更するよう望まれてもよい。他の状況では、ウエハプローバーとパッケージされた装置ハンドラーとの間での変更が所望されることもある。こうした場合には、テストヘッドは元の取り扱い装置からアンドッキングされ、その後、路を外れて移動される。その後、新しい取り扱い装置が適所へ移動し、テストヘッドはそれにドッキングする。また、多くの場合、保守の実行のために、テストヘッドを取り扱い装置から取り外すことも望ましい。したがって、テストヘッドを、さまざまな異なる取り扱い装置へ容易にドッキングおよびアンドッキングする必要がある。テスト部位の位置ならびに方向付けは、取り扱い装置ごとに変化する。水平に上向き（ＤＵＴアップ）、水平に下向き（ＤＵＴダウン）、あるいは垂直、あるいは任意の角度に方向付けられてもよい。したがって、テストヘッドは、ドッキングされる装置に応じて、上向きに、下向きに、水平に、あるいは任意の角度で、概して動かされなければならなくてもよい。ゆえに、テストヘッド位置決めシステムでは動作範囲が広いことが望ましい。例えば、垂直方向の動作範囲がおよそ１メートル以上という要件も珍しくない。

テストヘッド位置決めシステムは、オペレータに、数百ｋｇ以上の質量の自動テスト装置テストヘッドを取り扱い装置の近傍に運び込ませ、さらに、それにテストヘッドをドッキングさせるようにする機械装置である。半導体チップが、より高速に、かつより複雑になるにつれ、テストヘッドのサイズおよび重さもますます大きくなってきている。さらに、それに対応して、テストヘッドを自動テスト装置キャビネットに接続するケーブルのサイズ、重さ、および弾性も増加している。これらのファクターにより、テストヘッド位置決めシステムに、負荷担持能力の増強、および動作範囲の増加の双方を求める声が生じている。テストヘッドが取り扱い装置にドッキングする際には、ＤＵＴとテストヘッド間でテスト信号および電力を移送可能となるよう、数百あるいは数千のデリケートな電気接点が正確に並べられ、嵌合しなければならない。全体的に見て、数百あるいは数千のデリケートな電気接点の嵌合に要求される正確さを備え、何百Ｋｇ近い負荷を自由に移動可能な装置の設計は非常に困難である。

すでに言及した特許文献２，３で詳細に議論されているように、ドッキングには２つの一般的なカテゴリがある：アクチュエータ駆動およびマニピュレータ駆動である。特許文献１で導入されたアクチュエータ駆動ドッキングは、最も広く受け入れられ使用されているカテゴリである。アクチュエータ駆動ドッキングでは、テストヘッドと取り扱い装置にそれぞれ取り付けられた整列ピンおよびソケットなどといった（しかし、これらには限定されない）、補足的整列機構が必要となる。また、テストヘッドおよびの取り扱い装置のうちの一方に取り付けられ、テストヘッドおよびの取り扱い装置のうちの他方に取り付けられたカムフォロアなどの（しかし、これらに限定されない）作動構造と係合する、レバー駆動カムなどの（しかし、これらに限定されない）作動機構が提供される。簡潔に述べれば、ドッキングは、最初にテストヘッドが、取り扱い装置の近傍（、例えば、約１ｃｍ以内）にあり、さらにテスト部位とほぼ整列するように位置決めされる必要がある。その後、システムは、「ドッキング準備完了」位置にあると言われる。作動機構が作動構造との初期係合に入るまで、テストヘッドは、そのドッキング位置へ、近接して移動する。多くの場合、正確に、かつデリケートな接点を破損することなく、この動きが確実に実行されるよう、粗整列機講が提供される。この時点で、システムは「作動準備完了」状態であると言われる。ここで、アクチュエータが動作可能となり、それは、テストヘッドを、テスト部位と完全に電気接触した「完全ドッキング」状態に導く、さらなるドッキング動作として作用する。通常、細整列機構は、接点を、所望される許容誤差内で正確に並べることを確実にするよう提供される。アクチュエータは、システム摩擦および接触力に打ち勝つのに必要な力を生成する。アクチュエータは、システムに応じて電動あるいは手動であってもよい。ドッキング準備完了の近傍位置から完全ドッキング位置まで移動する、テストヘッドの比較的小さな動作は、一般にテストヘッドの位置の「微同調」として参照される場合もある。

したがって、アクチュエータがテストヘッドを完全ドッキング位置へ導くことを許容する間、マニピュレータは、テストヘッドの質量を支持しなければならないのは明白である。微同調およびドッキング動作の間、テストヘッドの一般的な軌道は、取り扱い装置のテスト部位の方向付けに依存する。また、ドッキング動作の間、いくつかの方向への小さな動きを要する、テストヘッドの細整列が実行されることもあろう。したがって、テストヘッド位置決めシステムは、テストヘッドの質量を支持しながら、テストヘッドを自由自在に、あるいはいくつかの自由度で、実質的に無重量の方法で移動可能にすることが望ましい。すなわち、負荷を位置決めするのに要する力は、負荷を支持するのに要する力より、実質的に小さい。多くの場合、６自由度全てにおいて対応する動きが好ましいが、より少ない自由度のテストヘッド位置決めシステムが知られている。また、テストの間、取り扱い装置が機械的振動を発生させる場合もあり、そのエネルギーはシステムにより吸収されなければならない。したがって、この振動が、デリケートな電気接点により有害な形で吸収されないよう、ユーザは、多くの場合、テストの間、テストヘッドを自由になる状態のままにすることを好む。

その動作の全範囲にわたり、実質的にテストヘッドを無重量状態に維持する、テストヘッド位置決めシステムがよく知られている。こうしたシステムでは、オペレータは、テストヘッド（あるいは、それに取り付けられたハンドル）を握って、それを手動で空間を通して移動させることが可能である。アクチュエータ駆動ドッキングに対する自在な動きは、本来的に含まれている。したがって、ドッキングのために、オペレータは、テストヘッドを手動で作動準備完了位置へ位置決めし、その後アクチュエータを動作させる。特許文献４（スミス（Ｓｍｉｔｈ））は、こうした６自由度の自由な動きを提供するテストヘッド位置決め装置を開示している。これを達成するために、カウンタウェイトは、垂直方向の自由な動きを提供し；水平面になくてもよい回転軸は、本質的にテストヘッドの重心を通っており；そして、低摩擦ベアリングが至る所で使用される。

特許文献１、特許文献５、および特許文献６（すべてスミス（Ｓｍｉｔｈ）による）は、カウンタウェイトの代わりに圧力シリンダおよびピストンを用いて、垂直範囲の進行にわたり実質的に無重量動作を提供する代替システムを開示している。可動部分が、事実上空気ピストンである、圧搾空気で動作される、伸縮自在の垂直コラムが説明されている。この構成では、一定の空気圧を維持することにより、テストヘッドとケーブルの重さに対する平衡力が供給される。テストヘッドは、適切な支持構造を介してピストンに取り付けられる。テストヘッドが垂直に動かされるにつれ、ピストンもシリンダ内部で対応して動く。圧搾空気あるいは他の適当な流体がシリンダに注入され、レギュレータは、ピストンにより担持される負荷の重量に対応するピストンへの力を維持する形でその圧力を制御する。レギュレータは、テストヘッド負荷が動かされるとき、この定圧を維持し、その結果、実質的な無重量状態を提供する。システムは、シリンダおよびピストンが、高さがテストヘッドの高さに対応する、伸縮自在な垂直コラムを形成するよう、さらに構成されている。

ある状況においては、特にテストヘッドがより大きく、より大規模になるような場合には、ヘッド位置決めシステム内の選択された軸を駆動する、モータあるいは手回しクランクなどの駆動ユニットを提供するのが望ましくなる。多くの場合、駆動ユニットは、まず垂直軸に対して所望される。駆動ユニットは、アクチュエータ駆動ドッキングと共に用いると、ドッキング準備完了位置あるいは作動準備完了位置が達成されるまで、軸を駆動することになろう。その後、テストヘッドは、それがドッキングされるよう、駆動ユニットに対して自在に動かすことが可能である。これは、特許文献１で説明されているような伸縮自在空気システムでは、おそらく自動車リフトにおけるように、シリンダ内の空気圧を制御することにより達成可能であろう；しかしながら、適切な制御は困難となろう。より実用的なアプローチは、特許文献７（ホルト（Ｈｏｌｔ）他）において開示されている。これは、完全に相殺されたマニピュレータの垂直軸および他の軸に、コンプライアンスを保持する方法で駆動モータユニットを追加する技術を開示している。

さらに、テストヘッドがより大きくより大規模になると、それに対応して、その位置決めシステムもより大きくなり、特に、垂直方向のストローク要件が増加するにつれて、高くなってきた。したがって、伸縮自在な垂直構造は、輸送や、戸口を通る移動や、メンテナンスなどを容易にするのが望ましくなってきた。また、テストヘッドがますます大規模になるにつれて、カウンタウェイトの使用は、テストヘッド、そのサポート構造およびそれが支えるケーブルの組み合わされた質量より若干大きくならねばならないので、ますます望ましくないものとなってきた。 特許文献１で説明されるような全空気システムでは、ストロークに制限がある；そして、すでに言及したように、正確な位置決めを達成することは困難である。特許文献８（スロカム（Ｓｌｏｃｕｍ）他）は、電気モータおよびねじ機構で駆動される、伸縮自在のテストヘッドマニピュレータを開示している。いかなるカウンタウェイトも使用されておらず、さらに、ねじ機構が負荷を支持している。垂直方向のコンプライアンスは、ベースと、伸縮自在垂直コラムとの間の空気機構によって提供される。したがって、垂直方向のコンプライアンス機構は、垂直方向のリーチを制限可能、および／または、総合的コンプライアンスの範囲に制限可能な、コラム下の有用スペースが必要となる。スプリングなどは、他の軸へコンプライアンスを提供する。特許文献９（アルデン（Ａｌｄｅｎ））は、特許文献８と同一であるが、ロードセル、および、コンプライアンスを提供し、空気機構の代わりとなる、精巧な電子制御システムを伴うマニピュレータについて説明している。伝えられるところによれば、これにより、システムは、負荷状態の変化あるいは変更に、さらに適応することになる。

さらなる従来技術が報告されている。特許文献３は、ボールネジ駆動の垂直軸を備えた伸縮自在マニピュレータを開示している。負荷は、駆動ねじにより支持される。垂直方向のコンプライアンス機構は、（ボールネジなどの）機械的アドバンテージ装置および、負荷の質量の一部分の質量を有する、カウンタウェイトを含む形で提供される。特許文献２は、力センサ、力ジェネレータ、および、ドッキングを容易にするために、様々な可能な駆動軸にバランスおよびコンプライアンスを提供する、精巧な制御を伴う技術を開示している。

関連する開示は、特許文献１０であり、ワークピースあるいは他の装置を垂直方向に担持するキャリッジを移動可能な、電気モータにより駆動されるボールスピンドルシャフトを有するリフト装置が述べられている。ここでは、キャリッジは、シリンダと共に、磁石を用いて動作する。この技術は、テストヘッド位置決めシステムに適用されてはおらず、さらに、これはコンプライアンスを提供するようには見えない。
米国特許第４，５８９，８１５号明細書 ＷＩＰＯ国際公開第ＷＯ ０２／２５２９２ Ａ２公報 ＷＩＰＯ国際公開第ＷＯ ０１／６４３８９ Ａ２公報 米国特許第４，５２９，９４２号明細書 米国特許第４，７０５，４４７号明細書 米国特許第５，１４９，０２９号明細書 ＷＩＰＯ国際公開第ＷＯ ００／４１５３６号 米国特許第５，９３１，０４８号明細書 米国特許第５，９４９，００２号明細書 ドイツ特許第４４ ３６ ０４５ Ａｌ号

ドッキングのためのコンプライアンスを備えた駆動垂直軸を有する、改良された伸縮自在テストヘッド位置決めシステムが望ましい。メンテナンス、および簡単化への適合、および費用の最小化のために、それは、精巧な制御システムに結合された、ロードセル、および他のセンサに依存すべきでない。全重量を最小にするために、それは、カウンタウエイトを使用すべきではない。垂直駆動は、滑らかな動作のために電気的に制御されており、オペレータ押しボタン制御、あるいはコンピュータ制御のいずれかに適合しているのが好ましい。コンプライアンス手段は、許容し得る範囲の自在な動きを提供し、条件およびアプリケーションの範囲を満足するよう容易に調整可能となるべきである。

本発明の典型的実施例では、電子部品をテストするためのテストヘッドを位置決めする、位置決め装置が提供される。本位置決め装置は、外部シリンダ、およびテストヘッドを支えるために、外部シリンダへ結合されたサポートを含んでいる。本位置決め装置は、また、前記外部シリンダ内に配置されたピストンを含んでおり、そのピストンおよび外部シリンダにより、外部シリンダ内に流体区画が画成される。本位置決め装置は、また、テストヘッドが実質的に無重量位置で宙に浮かせるよう、実質的に無重量位置を上下方向（垂直方向）に調整可能な、流体区画内部の圧力を維持する圧力レギュレータを含んでいる。本位置決め装置は、また、外部シリンダを上げ下ろしするリフト装置を含んでいる。リフト装置は、ピストンに結合されたねじ駆動機構を含んでいる。本位置決め装置は、また、テストヘッドを所定位置へ移動させるために、ねじ駆動機構を動作させる駆動装置を含んでいる。

本発明の他の典型的実施例では、電子部品をテストするためのテストヘッドを位置決めする位置決め装置が、再び提供される。本位置決め装置は、テストヘッドを上下方向に動かす駆動機構を含んでいる。本位置決め装置は、また、前記駆動機構へ結合された、圧搾空気自在カップリング機構を含んでいる。圧搾空気自在カップリング機構は、テストヘッドを実質的に無重量状態で支持し、テストヘッドへ上下方向の動作範囲を提供する。圧搾空気自在カップリング機構は、テストヘッドを上下方向に動かすと、駆動機構が圧搾空気自在カップリング機構を動かすような形で、駆動機構の上方に位置決めされ、かつ固定されている。

本発明の他の典型的実施例では、電子部品をテストするためのテストヘッドを位置決めする方法が提供されている。本方法は、テストヘッドに結合された流体区画へ、流体の流れを供給することを含んでいる。本方法は、また、駆動機構を用いて、テストヘッドを垂直方向の所望される位置へ機械的に動かすことを含んでいる。本方法は、また、テストヘッドと駆動機構との間に位置決めされる流体区画内の流体圧力を維持することにより、テストヘッドを、実質的に無重量状態のまま、流動的に宙に浮かせることを含んでいる。

本発明の詳細な説明
本発明は、以下の詳細な説明を、添付図面に関連させて読まれると、特によく理解される。一般的な習慣に従い、図面の様々な機構は、正しい縮尺でないことを強調しておく。逆に、様々な機構のサイズは、明快さのために、任意に拡大あるいは縮小されている。

図１および図２は、電子部品をテストするためのテストヘッド３を支持する、キャリヤ・アーム装置２を含む、位置決め装置１の斜視図を提供している。

位置決め装置１は、垂直コラム構成５が上向きに伸びる、床上に静止したベースフレーム４を含んでいる。コラム構成５は、キャリッジ６を通して、ｙ‐方向に移動可能である。キャリヤ・アーム装置２は、コラム構成５に対して、ｘ‐方向に移動可能である。コラム構成５は、底部管状内部シリンダ７、および頂部管状外部シリンダ８を含んでおり、シリンダ８は、シリンダ７、８が伸縮自在に互いに係合するような形で、内部シリンダ７上に配置される。内部シリンダ７に対する外部シリンダ８の高さ、外部シリンダ８（および、テストヘッド３）に取り付けられたキャリヤ・アーム装置２を調整することにより、高さ、すなわち、ｚ‐方向に調整可能である。さらに、キャリヤ・アーム装置２は、水平軸の周りをｖ‐方向に旋回可能である。テストヘッド３は、水平軸の周りをｗ‐方向へ、さらに、垂直軸の周りをｕ‐方向に旋回可能である。テストヘッド３は、キャリヤ・アーム装置２の自由端に取り付けられる。この構成を用いて、テストヘッド３をあらゆる方向に操作可能である；すなわち、６自由度を備えている。図１および図２には、テストヘッド３、および／または、位置決め装置１に関連するケーブルを支持するケーブルハンガ９も示されている。

図２は、再び、テストヘッド３を支持するキャリヤ・アーム装置２を含む、位置決め装置１を示している。図２では、テストヘッド３は、取り扱い装置１０へドッキングされている。電子部品は、それらの電気特性に関して、それらをテスト可能となるような形で、取り扱い装置１０を通して、テストヘッド３へ導かれる。このように、取り扱い装置１０に対して、テストヘッド３を正確に位置決めすることが望ましい。

取り扱い装置１０に対するテストヘッド３の整列は、例えば、センタリングピン、および／または、例えば、取り扱い装置１０上に、テストヘッド３の方向へ提供されるフレームから伸び、テストヘッド３上、あるいはテストヘッド３へ取り付けられたフレーム上に位置する、それぞれの開口部あるいはソケットに導入される、丁番ネジなどの整列機構を使用することで達成されてもよい。

ドッキングは、通常、ｕ、ｖ、ｗ、ｘ、ｙ、および／または、ｚ−方向の対応する動きを通して、できる限り正確に、取り扱い装置１０のすぐ近傍の所望されるドッキング準備完了位置へテストヘッド３を駆動することにより実行される。したがって、必要なら、作動準備完了位置への微同調動作は、その後、ドックの作動部品が互いに係合するまで、ほとんどの部分において手動で実行されてもよい。ドッキングアクチュエータは、その後、すでに説明したように、テストヘッド３を完全ドッキング位置へ導くのに利用されてもよい。

このコンテキストでは、テストヘッド３の垂直方向の微同調整列、すなわち、ｚ‐方向の微同調調節は、以下にさらに詳細に述べるように、本発明の位置決め装置１を用いて、非常に単純かつ正確な方法で実行可能である。

内部シリンダ７および外部シリンダ８を含む垂直コラム構成５は、図３でさらに詳細に示されている。外部シリンダ８は、内部シリンダ７上をスライド可能なように構成されて、それにより、伸縮自在の整列形状を提供する。所望されるスライド特性を得るために、シリンダ７、８間に、２つのスライドブッシング１１、１２が提供される。頂部スライドブッシング１１は内部シリンダ７の頂部端付近に位置し、一方で、底部スライドブッシング１２は外部シリンダ８の底部端付近に位置する。

ピストン１３は、中央リフトロッド１４がそこから垂直下向きに伸びる、外部シリンダ８の頂部端部分に配置される。リフトロッド１４は、ガイド軸受筒１５、１６内部で垂直方向に可動である。頂部ガイド軸受筒１５は、水平保持ウェブ１７により保持されているが、この水平保持ウェブ１７は、内部の周辺壁に外部シリンダ８の内部周囲壁から内部へ向かって放射状に伸び、さらに内部周囲壁の適所に固定されている。保持ウェブ１７、さらに、ガイド軸受筒１５は、図３に示した典型的実施例では、シリンダ８の全長のおよそ１１％に対応する距離だけ、シリンダ８の頂部端表面１８から離れた、外部シリンダ８の頂部端領域の近傍に位置している。もちろん、この距離は、ピストン移動の所望される範囲に従って変化し、例えば、シリンダ８長の５〜２０％であってよい。

底部ガイド軸受筒１６は、内部シリンダ７の頂部端表面１９の中央に設定される。したがって、リフトロッド１４は、内部シリンダ７へ下向きに伸びている。さらに、リフトロッド１４、および、したがってガイド軸受筒１５、１６の開口部の断面は、リフトロッド１４がコラム構成５内部で回転することを防ぐために、正方形になっていてもよい。リードねじナット２０は、内部シリンダ７の底部端付近にある、リフトロッド１４の底部端に取り付けられている。

リフトロッド１４（および、それと共に、ピストン１３、外部シリンダ８、キャリヤ・アーム装置２、およびテストヘッド３）を垂直方向へ移動させるために、リードねじ２１は、内部シリンダ７内部へと下方に伸びる形で提供され、さらに、リードねじナット２０に係合している。リフトロッド１４は、リードねじ２１がリフトロッド１４内部へと伸びるよう、空洞設計のものであってもよい。リードねじ２１は、内部シリンダ７のさらに下端を過ぎて下向きに伸び、駆動モータ（図３には示さず）に結合される。図３に示すように、リードねじ端２ｌａは、内部シリンダ７の下方に伸びている。リードねじナット２０は、（駆動モータを用いて）リードねじ２１を回転させることにより、リフトロッド１４と共に、固定リードねじ２１に沿って、垂直方向へ上向きあるいは下向きに移動する。ピストン１３、リフトロッド１４、リードねじナット２０、およびリードねじ２１は、リフト装置３１の一部である。

ピストン１３は、外部シリンダ８の内壁に対してピストン１３をシールする、放射状に突出するシーリングカラー２２を有している。それにより、シールされた流体保持区画２３は、ピストン１３と外部シリンダ８の頂部端表面１８との間に提供される。流体保持区画２３は、頂部端表面１８に配置された開口部２４により、流体ライン２５へ接続され、その結果、流体（例えば、圧搾空気）は、流体保持区画２３へと導入され、さらに流体保持区画２３から分流される。

流体が流体保持区画２３へ供給される場合、外部シリンダ８は、ピストン１３が静止した状態のまま、上向きに押される。図４から図６は、ピストン１３に対する、外部シリンダ８の３つの異なる位置を示している。例えば、図４は、ピストン１３が頂部端表面１８を押すよう、外部シリンダ８が、ピストン１３に対して最大程度下ろされた位置を示している。図５は、シリンダ８が上昇した位置を示している。図６は、シリンダ８が、ピストン１３に対して最も上昇した位置を示している。ピストン１３に対して処理を逆にし、シリンダ８を下降させるために、流体は、流体保持区画２３から放出され、それにより、シリンダ８は、シリンダ８に取り付けられたサポートアーム装置２とテストヘッド３との重さにより、ピストン１３に対して下降する。

このように、ドッキング動作の始めでは、流体保持区画２３内の空気の供給が不十分である場合は、空気は、テストヘッド３（および、関連するシステム部品）の重さを補うために流体保持区画２３内に注入されてもよく、それにより、テストヘッド３を実質的に無重量の状態で宙に浮かせる。その後、オペレータは、テストヘッド３を、ピストン１３の動作範囲内の中央位置（例えば、図５）、あるいは他のいかなる所望の位置へも移動可能となろう。

以下でさらに詳細に説明するように、テストヘッド３の取り扱い装置１０へのドッキングの間、多くの場合、テストヘッド３を、過度の力を与えることなく、テストヘッド３の位置へ微同調が可能な形で、実質的に垂直に調整可能な無重量の状態に維持するのが望ましい。この実質的に無重量の状態は、テストヘッドが、過度の外力をかけることなく、ある動作範囲で垂直軸に沿って自在に移動可能な、コンプライアント状態であると呼ぶことも可能である。例えば、図５の外部シリンダ８の位置は、テストヘッド３が、シリンダが垂直方向の動作範囲に沿い、（図４および図６に示す位置に向かって）上下に移動可能なコンプライアント状態であることを示している。

単純な方法で、かつ過度の力を用いることなく、テストヘッド３の垂直位置の微同調調節が実行可能となるよう、テストヘッド３は、比較的小さい力により、特定の制限内の正確な方法で高さ調整をされる形で、位置決め装置１によって、ほぼ所望高さで宙浮き状態に保持される。この目的のために、図７に示した圧力レギュレータ２６が提供される。圧力レギュレータ２６は、圧力生成装置２７と流体保持区画２３との間の流体フローおよび圧力を調節する。この目的のために、圧力生成装置２７は、特定の圧力目標値を維持可能となるよう、非常に正確な方法で流体圧力を調節する、圧力微同調レギュレータ２８に接続されている。流体ライン２５の圧力が低下する場合、流体は、ただちに流体保持区画２３へ補給され、一方、圧力が目標値を超えて増加した場合、流体は、ただちに流体保持区画２３から分流される。

図７に示すように、圧力生成装置２７により供給される流体は、最初に、活性状態で流体が流れるよう切り換えられる、電磁的に制御される３／２方向弁２９を通って流れる。この３／２方向弁２９は、停電の場合、分配弁２９が、流体保持区画２３からの戻り流が妨げられる位置に押し返されるような、スプリングリターンを有している。

３／２方向弁２９に平行に提供されているのは、これも流体保持区画２３からの流体の戻り流を妨げ、それ以上に、位置決め目的のために、テストヘッド３を僅かに手動で上昇させることを可能にする、一方向絞り弁３０である。３／２方向弁２９および一方向絞り弁３０の下流では、２つのブランチラインは、ひとつに戻され、外部シリンダ８の流体保持区画２３へ開く流体ライン２５を形作る。

テストヘッド３が、いくらか高さ位置の微同調調節の目的で、多少手動で上昇される（テストヘッド３が実質的に無重量状態にある場合）なら、その後、流体保持区画２３内の圧力は持ち上げ力に従って減少する。圧力レギュレータ２６は、この圧力低下を認識し、元の目標圧に再び達するまで流体保持区画２３に追加流体を供給することにより、流体圧力を増加させる。テストヘッド３の連続する僅かな上昇により、外部シリンダ８、したがってテストヘッド３は、外部シリンダ８が図６に示した、ピストン１３が保持ウェブ１７あるいはガイドブッシング１５に対して押し付けられている位置に達するまで、ほとんど力を使わずに、絶えず上方へ移動する。代替的に、（テストヘッド３が実質的に無重量状態にあるとき）微同調調節処理でテストヘッド３が下向きに押し付けられた場合は、流体保持区画２３内の圧力は増加する。圧力制御装置２６は、この圧力増加を認識し、元の目標値に再び達するまで、流体保持区画２３から流体を分流する。連続する、下方への小さな圧力により、過度の力を加えることなく、テストヘッド３を、外部シリンダ８が図４に示す位置に達するまで、この方法で下向きに移動させることが可能である。

このように、宙に浮く、あるいは「フローティング」システムは、テストヘッド３の高さ位置の、単純かつ自在な手動微同調調節を提供可能である。

図８は位置決め装置１の一部の斜視図である。上述のように、外部シリンダ８と内部シリンダ７とは、互いに伸縮自在に係合する。内部シリンダ７は、キャリッジ６に取り付けられる。追加部品、例えば、電源ユニット３２、３４、および制御エレクトロニクスハウジング３３は、図８に示されるように、キャリッジ６に取り付けられてもよい。図８はまた、キャリッジ６の下に収容されたシステムの部品の斜視図を提供する。モータ（図８には示さず）は、キャリッジ６の頂部側に取り付けられる。図８に示すように、モータシャフト３６は、キャリッジ６の下に伸びている。モータシャフト３６は、モータプーリー３８に結合される。

リードねじ２１は、エンコーダ駆動プーリー４４へ結合される。リードねじプーリー４２は、リードねじ２１へしっかり固定され、あるいは、任意にエンコーダ駆動プーリー４４（例えば、リードねじプーリー４２とエンコーダ駆動プーリー４４を含む段車）を通してリードねじ２１へ結合してもよい。リードねじプーリー４２は、駆動ベルト４０を通してモータプーリー３８へ接続される。したがって、モータシャフト３６が回転するとき、モータプーリー３８も回転し、それにより、駆動ベルト４０を駆動する。駆動ベルト４０は、リードねじプーリー４２を回転させ、それにより、リードねじ２１を動作させる。したがって、どちらかの方向にモータを動作させることにより、リードねじ２１は、上述のように、ピストン１３を上下に動作させ、それにより、テストヘッド３を上下させる。

エンコーダ駆動プーリー４４は、タイミングベルト４６を通してエンコーダプーリー４８へ接続される。したがって、エンコーダ駆動プーリー４４が回転すると、エンコーダプーリー４８も回転する。エンコーダ５０は、例えば、タイミングデータ、回転の数などのエンコーダプーリー４８からのデータを検索可能である。このデータは、例えば、リードねじ２１、および、概して、例えば、テストヘッド３の垂直位置のテストヘッド位置決めシステムの動作に関連する情報に翻訳可能である。したがって、エンコーダ５０は、フィードバックデータを、コンピュータあるいは制御システムへ供給可能である。検出装置は、本発明のこの典型的実施例では、エンコーダであるが、例えば従来の位置センサ（例えば、ストリングポット）など、いかなるタイプの検出装置も使用可能である。

図９は、シリンダ７、８の断面の詳細な部分斜視図である。図９には、リードねじ２１やリードねじナット２０を含む、リフト装置３１の様々な要素も、少なくとも部分的に示されている。リードねじナット２０の下には、止め５１がある。止め５１は、所定位置の下のボールねじナット２０の機械的な動きを防ぐために、任意に含まれていてもよい。リードねじ２１は、肩２１ｂを含んでいる。肩２１ｂは、ベアリング５３により軸受されている。

図９では、モータ５２も、キャリッジ６に取り付けられた状態で示されている。モータシャフト３６は、モータ５２からキャリッジ６の下方表面の下へ伸びている。また、図９では、エンコーダ５０、エンコーダプーリー４８、タイミングベルト４６、エンコーダ駆動プーリー４４、リードねじプーリー４２、駆動ベルト４０、およびモータプーリー３８も、断面図に示されている。図９に示すように、リードねじ端２１ａは、エンコーダ駆動プーリー４４へ結合されている。

図１０は、シリンダ７、８、およびリフト装置３１を含む、位置決めシステムの部分斜視図である。すでに説明したように、リフト装置３１は、リードねじ２１およびリードねじナット２０を含んでいる。モータ５２は再び、キャリッジ６の下方表面の下に伸びるモータシャフト３６を伴って、キャリッジ６に取り付けられて示されている。図９におけるように、エンコーダ５０、エンコーダプーリー４８、タイミングベルト４６、エンコーダ駆動プーリー４４、リードねじプーリー４２、駆動ベルト４０、およびモータプーリー３８は、図１０の断面図にも示されている。

図１１は、キャリッジ６上部の斜視図である。シリンダ７、８は、互いに伸縮自在に係合して、キャリッジ６へ取り付けられる。モータ５２は、また、キャリッジ６に取り付けられる。さらに、電源ユニット５４、５６は、モータ５２のいずれかの側面に示されている。

したがって、本発明は、単純で、安全かつ効果的な方法で、テストヘッド３の取り扱い装置１０へのドッキングを可能にする位置決め装置１を提供する。

上に示したように、典型的実施例では、本発明は、外部シリンダ８と伸縮自在に係合する内部シリンダ７を含む位置決め装置を提供する。リフト装置３１は、外部シリンダ８内部に配置されたピストン１３を含んでおり、外部シリンダ８はピストン１３に対して可動である。流体保持区画２３の圧力は、キャリヤ・アーム装置２およびテストヘッド３と共に、外部シリンダ８を、ピストン１３に対して高さ調整可能な宙に浮いた位置へ誘導可能な形で調節することができる。

位置決め装置１の動作により、テストヘッド３は、宙に浮いた、あるいは浮動した状態で、ある高さに保持される。この典型的実施例では、テストヘッド３あるいはキャリヤ・アーム装置２へいかなる外部の力も適用されない限り、テストヘッド３の高さ位置は維持される。しかしながら、オペレータあるいはドッキングアクチュエータが、ドッキング時に、必要な位置に誘導するために、テストヘッド３を上下に動かそうとするなら、テストヘッド３は、さほど力をかけることもなく、所望の垂直位置へ移動する。このコンテキストでは、テストヘッド３およびキャリヤ・アーム装置２の重さは、流体保持区画内に存在する流体により担持され、かつ補償される。

例えば、オペレータが、テストヘッド３を僅かに持ち上げようとするなら、流体保持区画２３内の圧力は、手動持ち上げ力に対応する量だけ低下する。圧力レギュレータ２６はこの力を認識し、さらに、再び設定目標圧に達するように、流体保持区画２３内の圧力を増加させる。他方、テストヘッド３を下降させようとして、比較的僅かな力を用いてオペレータがテストヘッド３を下方へ押すか引くかすると、流体保持区画２３内の圧力は増加する。圧力レギュレータ２６は、元々設定されていた目標圧力に再び達するよう、圧力上昇を認識し、流体保持区画２３から流体を分流する。これによりテストヘッド３は下降する。したがって、手動で適用すべき力は、設定目標圧力値を再生成させるために、圧力レギュレータ２６に、流体を流体保持区画２３へ加えさせたり、あるいはそこから排出させたりする制御信号を表している。このように、さほど力を適用することなく、かつ非常に正確な方法で、ドッキングに必要な正確な垂直位置へテストヘッド３を導くことが可能である。

本発明の典型的実施例では、リフト装置３１は、リードねじ２１（リードねじナット２０に結合されている）を用いて垂直方向に調整可能なリフトロッド１４を含んでおり、したがって、ピストン１３は高さ調整可能である。リードねじ２１は、単純かつ省スペースの方法で実装可能なタイプであってもよく、例えば、リードねじ２１は、シリンダ７、８の組合せ内部に位置決めされ、それにより、保護されるよう構成されてもよい。代替的に、このタイプのリードねじの代わりに、例えば、鋏状リンケージ、油圧式駆動、あるいはいかなる他のタイプのリフト機構など、他のリフト装置も、高さ位置の粗設定が企図可能である。

本発明の典型的実施例では、リフト装置３１は、リードねじ２１（リードねじナット２０に結合される）により高さ調整可能な中空リフトロッド１４を含んでおり、リードねじ２１は内部シリンダ７内の中心に配置され、さらにリードねじ２１は中空リフトロッド１４に少なくとも部分的に挿入されている。こうした実施例は、単純かつ省スペースの方法で製造されてもよい。

本発明の典型的実施例では、流体保持区画２３は、外部シリンダ８の頂部端表面１８により頂部で制限を受け、ピストン１３により底部で制限を受けている。これは、流体保持区画２３が、外部シリンダ８の頂部端に位置し、ピストン１３が外部シリンダ８の内側の周囲壁面に対してシールされていることを意味する。

本発明の典型的実施例では、圧力レギュレータ２６は、流体保持区画２３に導く流体ライン内を定圧に維持する圧力微同調レギュレータ２８を含んでいる。この流体ラインには、３／２方向弁２９が、３／２方向弁２９と平行に接続されている一方向絞り弁３０と共に提供される。このようにして、停電の場合、テストヘッド３の望ましくない低下は防がれる。さらに、停電の間も、テストヘッド３のドッキングあるいはアンドッキングを可能にするために、特定範囲内の手動動作で、単純な方法で上昇可能である。

上述のように、リフト装置３１は、取り扱い装置１０に対するテストヘッド３の粗位置決めを提供するために使用されてもよい。例えば、リフト装置３１は、共にすでに説明したように、テストヘッド３をドッキング準備完了へ駆動したり、あるいは、場合によれは作動準備完了位置へ駆動するために使用されてもよい。さらに、空気設備により提供される、動きのコンプライアン範囲は、実質的に無重量の状態のテストヘッド３を伴って、取り扱い装置１０に対するテストヘッド３の正確な整列のための動作範囲を提供するために使用可能である。

本発明の様々な典型的実施例は、駆動機構としてリードねじを用いて説明されてきたが、駆動機構は、外部シリンダ、および、したがって、テストヘッドを動かす、いかなるタイプの機構であってもよい。例えば、駆動機構は、ねじ駆動機構（例えば、リードねじ、あるいはボールねじ）、空気駆動機構、あるいは垂直荷重の駆動に役立つ他のいかなる機構であってもよい。

本発明の様々な典型的実施例は、垂直軸に関して説明されている。例えば、駆動機構は、テストヘッドを垂直方向に動かすために説明されている。さらに、本明細書で説明される空気自在カップリング機構は、垂直方向のコンプライアンスを提供する；しかしながら、これらの機構は、テストヘッドの他の動作軸に適用されてもよいことが考えられる。例えば、駆動機構は、垂直方向以外のいかなる方向（例えば、４５度傾斜した方向や横方向など）にもテストヘッドを駆動可能であり、さらに、自在機構は、垂直方向以外のいかなる方向にもコンプライアンスを提供可能である。さらに、本明細書で説明される無重量という用語は、テストヘッドが、重力だけでなく、テストヘッドに適用されるいかなる外部の力（例えば、ケーブル力、ドッキング力など）に対しても無重量であることを意味するために用いられている。

本明細書では、特定の実施例に関し、レファレンスを伴って図示し、説明されているが、それにもかかわらず、本発明は、示された詳細に限定されることを意図していない。むしろ、様々な変更は、詳細において、請求項と等価な範囲内で、本発明の精神から逸脱することなくなされてもよい。

本発明の典型的実施例に従う、テストヘッドを担持する位置決め装置の斜視図である。 本発明の典型的実施例に従う、取り扱い装置にドッキングされるテストヘッドを担持する位置決め装置の斜視図である。 本発明の典型的実施例に従う、位置決め装置内に含まれている、リードねじを備える２つのシリンダの前部断面図である。 本発明の典型的実施例に従う、位置決め装置内に含まれている内部シリンダに対して、高さ位置に設定された外部シリンダの前部断面図である。 本発明の典型的実施例に従う、位置決め装置内に含まれている内部シリンダに対して、高さ位置に設定された外部シリンダの前部断面図である。 本発明の典型的実施例に従う、位置決め装置内に含まれている内部シリンダに対して、高さ位置に設定された外部シリンダの前部断面図である。 本発明の典型的実施例に従う、圧力レギュレータの空気接続図である。 本発明の典型的実施例に従う、位置決め装置の一部の斜視図である。 本発明の典型的実施例に従う、位置決め装置内に含まれている、２つのシリンダおよびリードねじの断面の、詳細な部分斜視図である。 本発明の典型的実施例に従う、位置決め装置内に含まれている、２つのシリンダおよびリードねじの断面の部分斜視図である。 本発明の典型的実施例に従う、位置決め装置内に含まれている、２つのシリンダおよびリードねじを支持するベースの斜視図である。

符号の説明

１ 位置決め装置、２ キャリア・アーム装置、３ テストヘッド、４ ベースフレーム、５ コラム構成、６ キャリッジ、７ シリンダ、８ シリンダ、９ ケーブルハンガ、１０ 取り扱い装置。

Claims (18)

1. 電子部品をテストするためのテストヘッド（３）を位置決めする位置決め装置（１）であって、
   前記テストヘッド（３）を上下方向に移動させる駆動機構（２０、２１）と、
   前記駆動機構（２０、２１）に結合された圧搾空気フローティングカップリング機構（８、１３、２３、２５）とを含んでいて、
   前記圧搾空気フローティングカップリング機構（８、１３、２３、２５）は、シールされるとともに膨張・収縮可能に形成されかつ流体を導入することができる一方該流体を排出することができる流体保持区画（２３）を有し、かつ、前記テストヘッド（３）をフローティング状態で支持して前記テストヘッド（３）に上下方向の動作範囲を提供するようになっていて、
   前記圧搾空気フローティングカップリング機構（８、１３、２３、２５）は、前記テストヘッド（３）を上下方向に移動させるときに前記駆動機構（２０、２１）が前記圧搾空気フローティングカップリング機構（８、１３、２３、２５）を移動させるように、前記駆動機構（２０、２１）の上方に位置決めされ、かつ、前記駆動機構（２０、２１）に結合されていることを特徴とする位置決め装置。
2. 前記駆動機構（２０、２１）がねじ付きである、請求項１に記載の位置決め装置。
3. 前記圧搾空気フローティングカップリング機構（８、１３、２３、２５）が、テストヘッド（３）がフローティング状態で宙に浮かされるように流体保持区画内部の圧力を維持する圧力レギュレータを含んでいる、請求項１または２に記載の位置決め装置。
4. 内部シリンダ（７）と、
   上下方向にスライド可能なように内部シリンダ（７）を覆って配置され、その内部に前記流体保持区画が設けられた外部シリンダ（８）と、
   外部シリンダ（８）に取り付けられた、テストヘッド（３）を担持するキャリヤ・アーム装置（２）と、
   外部シリンダ（８）を上げ下ろしするリフト装置（３１）と、
   前記流体保持区画に流体ライン（２５）を通して接続され、テストヘッド（３）およびキャリヤ・アーム装置（２）の重量がかかる方向と反対方向に向けられた流体圧力を生成するようになっている圧力生成装置（２７）とを含んでいて、
   リフト装置（３１）が外部シリンダ（８）内に配置されたピストン（１３）を含み、外部シリンダ（８）がピストン（１３）に対してスライド可能であり、さらに、キャリヤ・アーム装置（２）およびテストヘッド（３）と共に、外部シリンダ（８）をピストン（１３）に対して高さ調整可能な宙に浮く位置へ誘導可能なように、前記流体保持区画内の圧力が、圧力レギュレータ（２６）を通して調節可能である、請求項１に記載の位置決め装置。
5. 前記リフト装置（３１）が、ねじ駆動機構を用いて高さ調整可能であり、頂部端でピストン（１３）を担持するリフトロッドを含む、請求項４に記載の位置決め装置。
6. 前記リフト装置（３１）が、ねじ駆動機構を通して高さ調整可能な、中空リフトロッド（１４）を含んでおり、前記ねじ駆動機構が、中空リフトロッド（１４）に導入される内部シリンダ（７）内の中心に配置されているねじ駆動部を有している、請求項４または５に記載の位置決め装置。
7. 前記流体保持区画は、外部シリンダ（８）の頂部端表面によりその頂部が制限を受け、ピストン（１３）によりその底部が制限を受ける、請求項４〜６のいずれか１つに記載の位置決め装置。
8. 前記圧力レギュレータが、前記流体保持区画へ導く流体ライン内を定圧に維持する圧力レギュレータを含み、さらに、前記流体ラインに、３／２方向弁と一方向絞り弁とが互いに並列に接続されている、請求項４〜７のいずれか１つに記載の位置決め装置。
9. 外部シリンダ（８）と、
   前記外部シリンダ（８）に結合され、テストヘッド（３）を支えるサポート（２）と、
   前記外部シリンダ（８）内に配置されたピストン（１３）であって、該ピストン（１３）および前記外部シリンダ（８）により、前記外部シリンダ（８）内に流体保持区画を画成するピストン（１３）と、
   前記テストヘッド（３）が、上下方向に調整可能なフローティング位置で宙に浮かされるよう、前記流体保持区画内部の圧力を維持する圧力レギュレータ（２８）と、
   前記外部シリンダ（８）を上げ下ろしする、ピストン（１３）に結合された駆動機構（２０、２１）を含むリフト装置（３１）と、
   前記テストヘッド（３）を所定位置へ移動させるために、前記駆動機構（２０、２１）を動作させる駆動装置（５２）とを含んでいる、請求項１に記載の位置決め装置。
10. 前記駆動機構（２０、２１）がねじ駆動機構である、請求項９に記載の位置決め装置。
11. 前記駆動機構（２０、２１）がリードねじ機構である、請求項１０に記載の位置決め装置。
12. 前記駆動機構（２０、２１）が、前記流体保持区画を上下方向に駆動するときに、テストヘッド（３）も上下方向に駆動されるように、前記流体保持区画が前記駆動機構（２０、２１）の上方に位置決めされている、請求項９に記載の位置決め装置。
13. さらに、テストヘッド（３）の上下位置を検出する位置センサ（５０）を含んでいる、請求項９に記載の位置決め装置。
14. 請求項１に記載の位置決め装置を用いて電子部品をテストするためのテストヘッド（３）を位置決めする方法であって、
    （ａ） 流体の流れを、テストヘッド（３）に結合された流体保持区画に供給するステップと、
    （ｂ） ステップ（ａ）の後、駆動機構（２０、２１）を用いて、テストヘッド（３）を上下方向の所望位置へ機械的に移動させるステップと、
    （ｃ） 前記流体保持区画内の流体圧力を維持することにより、テストヘッド（３）をフローティング状態で宙に浮かせて上下させ、テストヘッド（３）を位置決めするステップとを含む方法。
15. さらに、駆動機構に固定されるピストン（１３）を用いて流体保持区画を膨張させ、および収縮させるステップを含む、請求項１４に記載の方法。
16. さらに、テストヘッド（３）の所望位置を調整するために外力をかけるステップを含む、請求項１４に記載の方法。
17. さらに、テストヘッド（３）がフローティング状態に維持されるように、流体保持区画に気流を供給するステップを含む、請求項１４に記載の方法。
18. さらに、テストヘッド（３）がフローティング状態に維持されるように、流体保持区画から気流を排出するステップを含む、請求項１４に記載の方法。

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