KR20030043966A - 테스트 헤드의 균형을 맞추고 컴플라이언트 범위를제공하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

테스트 헤드의 균형을 맞추고 컴플라이언트 범위를제공하기 위한 장치 및 방법 Download PDF

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KR20030043966A KR10-2003-7004189A KR20037004189A KR20030043966A KR 20030043966 A KR20030043966 A KR 20030043966A KR 20037004189 A KR20037004189 A KR 20037004189A KR 20030043966 A KR20030043966 A KR 20030043966A
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Abstract

전자 테스트 헤드와 같은 부하가 지지된다. 힘 센서는 상기 부하로부터 수취된 힘을 감지하며, 상기 힘은 부하의 불균형 상태로 인해 발생되어 부하의 회전축에 대해서 토크가 발생되도록 한다. 힘의 공급원은 상기 힘 센서에 의해서 감지된 힘에 응답하여 부하에 상대적인 짝힘(counter force)을 제공한다. 본 발명은 또한 테스트 헤드 머니퓰레이터내에 유지된 전자 테스트 헤드를 전자 디바이스 핸들러에 도킹시키는 방법을 제공한다. 상기 도킹 방법은 테스트 헤드 머니퓰레이터의 다수의 이동축들 중 적어도 하나의 축을 따라 또는 그 축 주위에 작용하는 불균형 힘의 크기를 측정하는 단계; 그리고 상기 불균형 힘에 짝힘을 제공하는 단계를 포함한다.

Description

테스트 헤드의 균형을 맞추고 컴플라이언트 범위를 제공하기 위한 장치 및 방법{Apparatus and Method for Balancing and for Providing a Compliant Range to a Test Head}
집적회로, 칩 및 와이퍼를 테스트하는데 있어서, 테스트 헤드 및 테스트될 장치를 조종하기 위한 장치를 포함하는 시스템을 사용하는 것이 일반적이다. 조종 장치는 디바이스 핸들러(device handler), 웨이퍼 프로버(wafer prober), 또는 다른 장치들일 수 있다. 간결한 설명을 위해서, 이하 상기의 장치를 "디바이스 핸들러"또는 간단히 "핸들러"라 할 것이다. 테스트 헤드는 핸들러에 "도킹"된다. 그리고 나서, 테스트 헤드가 적절한 테스트를 수행할 수 있도록 테스트 헤드와 집적회로 사이에 회로가 연결될 수 있다.
일반적으로, 도킹 방법에는 액츄에이터 구동식 도킹 및 머니퓰레이터(manipulator) 구동식 도킹 등 두가지 방법이 있다. "액츄에이터 구동식" 도킹으로 알려진 기술은 스미스(Smith)의 미국 특허 제4,589,815호(이하 '815라 한다.)에 맨 처음 게재되었으며, 이후 아메스(Ames)의 미국 특허 제5,654,631호, 보그든(Bogden)의 미국 특허 제5,744,974호, 츄(Chui)등의 미국 특허 제5,982,182호, 슬로컴(Slocum) 등의 미국 특허 제6,104,202호, 및 슬로컴 등의 미국 특허 제5,821,764호에서 개선되고 변화되었다. 모든 것은 참고자료로 사용될 것이다.
일반적인 의미에서 도킹 시스템은 도킹될 장치들 중 하나의 장치에 있어서 "정렬(얼라인먼트, alignment) 구조"를 필요로 하며, 이는 두개의 장치들 중 다른 장치 상의 "정렬 리셉터클(receptacle)"과 맞물린다. '815특허에서, 가이드 핀들이 정렬 구조로서 포함되며, 가이드 핀 리셉터클 및 거싯(gusset : 부재와 부재를 간접적으로 고정하는 데 사용하는 부재)이 정렬 리셉터클로서 포함된다. 츄 등, 슬로컴 등의 3개의 특허에서, 6자유도를 가지는 정렬이 기구학적인 커플링에 의해서 제공된다. 상기 커플링은 제공된 표면들 사이에 6개의 접촉점을 제공하며, 접촉점 중에 2개 이상은 동일 선상에 위치되지 않는다. 상기 3개의 특허에서 도킹될 2개의 장치들 중 하나의 장치상의"기구학적 표면들"은 정렬 리셉터클로 작용하며; 그리고 2개의 장치들 중 다른 장치의 "짝을 이루는 기구학적 표면들"은 정렬 구조로서 작용한다. 상기 3개의 특허에 기재된 바람직한 실시예에서, 볼 또는 구형의 표면들은 짝을 이루는 기구학적 표면들 또는 정렬 구조이며, 그리고 홈들은 기구학적 표면들 또는 정렬 리셉터클이다. 상기 3개의 특허에서 나타내었듯이, 표면들의 많은 다른 조합들이 사용될 수 있다.
'815 특허에서 나타낸 도킹 어셈블리는 본 발명의 도 13의 수직 평면 핸들러 위치에서 부분적으로 도시된(그리고 도 13의 좌측 하부에서 부분적으로 절단된 것으로 나타난 2-지점 도킹어셈블리와 유사한다. 도 13에서는 테스트 헤드에 부착하는 어셈블리의 절반만을 나타낸다. 이들 2-지점 도킹 어셈블리 모두는 두개의 가이드 핀들(912), 이들 각각에 짝을 이루는 홀들(도 13에서는 미도시) 및 두개의 원형 캠들(910)을 사용한다. 캠들(910)이 캠들에 부착된 핸들러들(914)에 의해서 회전할 경우, 도크(dock)의 두개의 절반체들은 가이드 핀들(912)이 그들과 짝을 이루는 홀들(미도시) 속으로 완전히 삽입되도록 서로 당겨진다. 와이어 케이블(915)은 두개의 캠들(910)을 링크 연결하여 캠들이 동시에 회전할 수 있도록 한다. 상기 케이블은 두개의 핸들(914) 중 하나 또는 다른 하나로 힘을 제공함으로써 도크가 작동될 수 있도록 하는 배열을 가진다. 따라서, 상기 핸들은 이 경우 도킹 액츄에이터에 해당한다.
레이드 에쉬만 제조회사(RAM)[웹 사이트 및 판촉 자료 참조]에 의해서 제조된 도크들은 개념상 '815 특허에 게재된 것과 유사하다. 그러나, RAM에서 제조한 도크에서는 원형 캠 대신에 선형 캠을 사용한다. 또한, RAM 도크는 캠들을 동시에 운동시키기 위해서 와이어 케이블 대신에 강성 기계적 링크구조 및 벨 크랭크를 사용한다. 도크는 각각의 벨 크랭크와 연결되는 두개의 핸들 중 하나 또는 다른 하나에 의해서 구동된다.
동력이 공급된 액츄에이터들은 다양한 방법으로 도크들에 합체된다. 예를 들면, 선형 액츄에이터는 앞서 설명한 것과 같이 '815 도크의 와이어 케이블, 또는다른 도크에서의 기계적인 링크구조 또는 선형 캠들에 직접적으로 도킹 작용을 부가하기 위해서 점진적으로 추가될 수 있다. 선형 액츄에이터는 전기모터, 전기 솔레노이드, 또는 공압을 포함하는 여러 가지 형태중 하나일 수 있다.
미국 특허 제5,654,631호 및 제5,744,974호에 기재된 도크들은 두개의 절반체들을 맞추기 위해서 가이드 핀들과 홀들을 사용한다. 그러나, 도크들은 진공이 제공될 경우 함께 두개의 절반체들을 작동시키는 진공장치에 의해서 작동된다. 두개의 절반체들은 진공이 유지되는 한 함께 결합된 상태로 남아있게 된다.
미국 특허 제5,821,764호, 제5,982,182호 및 제6,104,202호에 기재된 도크들은 두개의 절반체들의 최종 중심을 맞추기 위해서 기구학적 커플링 기술을 사용한다. 가이드 핀들은 초기 중심을 맞추기 위해서 사용될 수 있다. 가이드 핀들은 가이드 핀을 홀에 집어넣고 빠져나가는 것을 방지하는 캐치 기구(catch mechanism)를 구비할 수 있다. 상기 캐치 기구는 '764 특허 및 '202 특허에서 자동적으로 작동되는 것처럼 보이며; 반면, '182 특허에서는 3개의 가이드 핀들 각각에 대해서 모터 구동 장치가 사용된다. 또한, '182 특허의 3개의 모터들은 도킹된 구성들 사이의 평면화에 영향을 주기 위해서 각각 개별적으로 작동될 수 있다. 상기 3개의 특허 모두에서, 선형 액츄에이터가 최종적으로 두개의 절반체를 함께 당기는데 사용된다. 선형 액츄에이터는 공압 형태이다.
상기 설명은 액츄에이터에 의해서 구동되는 도킹 기술을 간략하게 설명한 것이다. 도크들은 다양한 다른 장치에 의해서 구동될 수 있음을 알 수 있을 것이다.
또 다른 방법인 "머니퓰레이터 구동식" 도킹은 예를 들면, 그라함(Graham)등의 미국 특허 제5,600,258 및 제5,900,737호 등에 게재되어 있다. 상기 방법은 테스트 헤드를 위치시키기 위해서 머니퓰레이터의 하나 이상의 동력이 공급된 그리고 제어되는 축들(이하, "제어되는 축들"이라 한다.)을 제공한다. 예를 들면, 상기 언급된 특허에 기재된 것과 같이, 수직, 피치, 롤 축들은 그라함 특허에서 제어되는 축에 해당한다. 시스템들은 수직축 또는 텀블(tumble)축과 같은 하나의 축이 제어되는 것으로 알려져 있다. 위치 센서들은 일반적으로 디바이스 핸들러/프로버(device handle/prober)에 상대적인 테스트 헤드의 위치에 관계하는 제어되는 축들에 피드백을 제공하기 위해서 사용된다. 도킹시, 제어기(또는 작업자)는 먼저 제어되는 축 또는 축들을 테스트 헤드가 도킹 준비 상태가 되도록 작동시키며, 이후 계속해서 제어되는 축들을 작동시켜 도킹을 완성시킨다. 상기 [그라함 등의] 특허에서 센서들은, 테스트 헤드의 도킹면이 동일면상의 디바이스 핸들러/프로버의 도킹면과 적절한 방향이 되도록 하기 위해서, 그리고 도킹이 완료되고 테스트 헤드와 디바이스 핸들러/프로버 사이의 전기적 접속이 완료된 경우 운동을 정지시키기 위해서 제어기에 의해서 사용된다. 여기에는 도킹 액츄에이터가 사용되지 않으며, 머니퓰레이터 축들에 독립적인 개별적으로 독립된 래치 기구가 사용되지 않는다. 가령, 분리되거나 독립된 래치 기구가 없다면, 머니퓰레이터 축들은 완전히 도킹된 위치에서 테스트 헤드를 유지하기 위해서 적절히 잠겨져야 한다.
또한, 머니퓰레이터 구동식 도킹 시스템에서, 테스트 헤드가 모든 축들에 대해서 균형이 잡히도록 하는 것이 항상 바람직한 것은 아니다. 균형이 잡히지 않은테스트 헤드는 예견할 수 없으며 원치 않는 힘들을 발생시키며, 이들 힘은 구동 및 제어 기구, 정렬 기구 및 디바이스 핸들러/프로버 자체의 구조에 의해서 극복되어야 한다.
머니퓰레이터와 분리되고 독립적인 기구는 완전히 도킹되었을 경우, 테스트 헤드를 핸들러/프로버에 래치 고정시키는 도킹시스템으로 "래치 도킹" 시스템이라고 한다. 테스트 헤드가 단지 머니퓰레이터 축들을 잠금으로써 완전히 도킹된 위치에서 유지시키는 시스템을 "비-래치 도킹" 시스템이라 한다. 대체로, 액츄에이터 구동식 도킹 시스템은 래치 도킹 시스템이며, 그리고 머니퓰레이터 구동식 도킹 시스템은 비-래치 도킹 시스템이다. 그러나 두개의 다른 조합들이 가능하다.
대형 테스트 헤드용 머니퓰레이터 설계에 있어서, 제어되는 운동을 용이하게 제공하기 위해서 실질적으로 6개의 축 또는 6개의 운동 자유도로 자유롭게 이동시킬 수 있는 테스트 헤드를 구비하는 것이 바람직하다. 이는 PCT 국제 출원 번호 제US00/00704호의 "테스트 헤드 머니퓰레이터" 및 미국 특허 출원 제60/186,196호의 "수직축 구동 테스트 헤드 머니퓰레이터의 카운터 밸런스되는 수직 도킹 운동"에서와 같이 수동 조종 및 이동축들의 안전한 가동을 위해서 적합하다. 또한 이것은 디바이스 핸들러/프로버와 도킹/도킹을 해제하는 데에 있어서 적합하며, 여기서 스미스에 의한 미국 특허 제4,589,815호, 슬로컴 등에 의한 미국 특허 제5, 821,764호 및 제6,104,202호 그리고 츄 등에 의한 미국 특허 제5,982,182호에 기재된 것과 같이 운동은 도킹 시스템에 의해서 제공된다. 운동의 자유도 또는 "컴플라이언트 운동"은 테스트 헤드와 핸들러를 도킹시키는 과정에서 특히 중요한다.
바닥에 평행한 운동을 제공하는 두개의 축들(사이드 대 사이드 및 인-아웃) 및 바닥에 수직한 축(업-다운)은 도 14에 도시된다. 이들 3개의 축들은 x-축(사이드 대 사이드, 1315), y-축(인-아웃, 1325) 및 z-축(업-다운, 1335)을 포함한다. 또한, 피치 축(x, 1310), 롤 축(y, 1320) 및 스윙(및 요) 축(z, 1330)을 포함하는 3개의 회전축들이 도시되어 있다. 바닥에 평행한 두 개의 축(x 및 y)에 있어서, 운동 자유도는 적은 마찰력을 가지는 베어링, 레일 등에 의해서 또는 스미스의 미국 특허 제4,527,942호에 도시된 것과 같은 관절 암에서 정상적으로 제공된다. 수직 또는 업-다운 축(z축)의 경우, 일반적으로 작업자가 일부러 축을 잠그는 경우를 제외하고는 항상 원하는 운동 자유도를 제공하기 위해 실질적으로 무중력 상태를 제공하는 균형추(counter weight)를 사용한다. 알려진 다른 업-다운 축에서 다른 기술은 보우크(Beaucoup) 등에 의한 미국 특허 제4,943,020호에서와 같은 스프링 기구, 슬로컴 등에 의한 미국 특허 제5,931,048호 및 스미스에 의한 미국 특허 제5,149,029 및 제4,705,447호에서와 같은 공압 수단을 사용하는 것이다. 그러나 엘든(Alden)에 의한 미국 특허 제5,949,002호는 상기의 방법이 가지는 문제점을 지적하고 로드 셀 힘 센서를 구비한 서보 제어 루프를 사용할 것을 제안하고 있다. 그러나, 힘과 위치 피드백을 구비한 서보 제어 루프들을 포함하는 기술은 복잡하고 비싸며, 그리고 고장이 발생하는 경우 작업자가 시스템을 무효화 시키는 단순한 방법을 제공하지 않는다.
피치, 롤 및 요 회전 운동의 경우에, 회전축들은 테스트 헤드, 테스트 헤드에 부착된 설치 기구 및 케이블들의 무게 중심을 거의 통과하도록 위치된다. 이것은 밸러스트 균형추를 추가함으로써 텀블 모드 머니퓰레이터에서 이루어진다. 케이블 피봇 머니퓰레이터의 경우에는 홀드(Holt)에 의한 미국 특허 제5,450,766호에서 기재된 바와 같이 돌출된 케이블 피봇 머니퓰레이터 상의 내부 크래들 후방의 길이를 변화시키는 다양한 스페이서들을 제공함으로써 이루어진다.
도 13에 나타낸 것과 같이, 테스트 헤드의 내부의 하나 이상의 회전 이동축을 테스트 헤드와 케이블 어셈블리의 무게 중심 또는 근처에 위치시키는 것이 경제적이다. 피치 및 요 운동들은 테스트 헤드 구조 내에서 합쳐지는 것을 관찰할 수 있다. 도 13에서 피치축(1310, ±5도의 세타(theta) X) 및 요축(1320, ±5도의 세타 Z)가 도시된다. 롤축(1330, ±90내지 95 도의 세타 Y) 또한 도 13에 나타나 있다.
현재의 시스템에서, 피치축을 약 ±5도의 운동도를 가지도록, 롤축을 (테스트 헤드의 외부에) 적어도 ±90도의 운동도를 가지도록, 그리고 약 ±5도의 요 운동도를 가지도록 테스트 헤드의 내부에 위치시키는 것이 바람직할 것이다. 이것은 무게 중심 또는 그 근처에서 이들 축들을 만족시키기 위해서 요구되는 구성의 범위가 만약 이들 축들이 테스트 헤드의 외부에 있는 경우 예를 들어, "CPPJ"(피치에 대해서) 및 홀트의 미국 특허 제5,450,766호와 홀트에 의한 또 다른 미국 특허 제5,608,333호에서 각각 설명된 스플리트 링 케이블 피봇(Split Ring Cable Pivot) 기술의 경우 이들 축들을 만족시키기 위해서 요구되는 구성보다 덜 중요하기 때문이다.
테스트 헤드 무게 중심 근처에 구형의 베어링을 설치함으로써 상기 개념을만족시킨다는 것은 이미 제시되어왔다. 구형 베어링의 위치를 이동시키는 외부 조절 수단은 인-아웃 방향으로 제공될 수 있으며, 이에 따라 테스트 헤드가 DUT(테스트 중의 장치, device under test) 업 또는 DUT 다운 방향 중 하나의 방향을 가질 경우 피치(또는 텀블) 축의 균형을 잡을 수 있도록 물리적으로 위치될 수 있다. 구형 베어링의 단점은 동시에 3개의 회전 운동도를 모두 제공하는 것이다.
바람직할지라도, 이들 내부 축들을 실제 테스트 헤드의 실제 무게 중심 또는 그 근처에 위치시키는 것은 매우 어렵다. 테스트 헤드 내부의 핀 전자 기판 수를 변화시키는 것, 그리고 특정 테스트 기기 및 사용자의 요구를 만족시키기 위한 테스트 헤드 케이블의 크기 및 무게를 변화시키는 것은, 무게 중심 위치를 상당히 이동시키며, 이에 따라 상당한 힘의 불균형을 야기시킨다. 또한, 테스트 헤드가 이동 범위에 걸쳐서 이동됨에 따라, 케이블에 의해서 테스트 헤드에 가해지는 힘이 변화할 수 있으며; 이것은 고정된 형상을 가진 시스템이 사용될 때 다양한 불균형 힘을 발생시킨다. 이들 불균형 힘은 하나 이상의 이동축들에 대해서 자유롭게 이동할 수 있는 바람직한 상태를 방해한다.
또한, 이동축이 테스트 헤드 내부에 있든지 또는 종래 머니퓰레이터 상에서 행해진 것과 같이 테스트 헤드의 외부에 있든지 간에, 이동축의 위치를 무게 중심에서 먼 위치까지 다시 위치시키는 것도 종종 바람직하다. 예를들어, 테스트 헤드의 물리적 중심 근처에 항상 위치하는 테스트 헤드의 무게 중심보다는 매우 두꺼운 테스트 헤드의 DUT 인터페이스 근처에 텀블축을 위치시키는 것이다. 테스트 헤드가 1 미터 두께(100 cm)를 가진다면, 텀블 피봇 축을 무게 중심, 즉 물리적 중심의 근처에 위치시키는 것은, 머니퓰레이터가 적어도 1 미터(100 cm)의 수직 이동범위(스트로크)를 필요로 한다는 것을 의미한다. 만약, DUT 인터페이스의 13 cm 내에 텀블 피봇 축을 위치시키는 것이 가능하다면 머니퓰레이터의 수직 스트로크는 74 cm( 100cm - 26 cm)까지 감소될 것이며, 이에 따라 머니퓰레이터의 전체 높이가 감소하거나 주어진 베어링 구조로부터 더 큰 부하 용량을 가지기 위해 메인 암을 더 길게 할 수 있다. 그러나, 상기 살펴본 바와 같이, 불균형 힘은 테스트 헤드의 무게 중심을 알려진 물리적 지점으로부터 떨어진 위치로 이동시킴으로써 발생된다. 또한, 이들 불균형 힘들은 테스트 헤드를 불균형 상태로 만들며 모든 6개 축이 자유롭게 움직일 수 없다.
따라서, 테스트 헤드가 보다 비대해지고 더 복잡해짐에 따라, 각각의 한계 이동축에서의 불균형 힘이 증가한다. 테스트 헤드가 효과적으로 조종되고 위치되도록 하는 한편, 작업자와 장치 모두에 안전을 제공하기 위해서 이들 불균형이 무력화되도록 하는 수단을 구비하는 것이 바람직하다.
본 발명은 하나 이상의 축에 상대적으로 테스트 헤드의 균형을 맞추기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 하나 이상의 축에 상대적인 컴플라이언트(compliant) 이동범위를 테스트 헤드에 제공하는 장치 및 방법을 제공한다.
도 1a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 테스트 헤드와 결합된 균형유닛의 사시도이다.
도 1b는 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르는 테스트 헤드와 결합된 균형유닛의 사시도이다.
도 1c는 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따르는 테스트 헤드와 결합된 균형유닛의 사시도이다.
도 1d는 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따르는 테스트 헤드와 결합된 균형유닛의 사시도이다.
도 2a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 크래들에 설치된 테스트 헤드와 결합된 균형유닛의 사시도이다.
도 2b는 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르는 크래들에 설치된 테스트 헤드와 결합된 균형유닛의 사시도이다.
도 3a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 내부 베어링에 의해서 지지되는 테스트 헤드와 결합된 균형유닛의 사시도이다.
도 3b는 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르는 내부 베어링에 의해서 지지되는 테스트 헤드와 결합된 균형유닛의 사시도이다.
도 4a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 공압실린더의 상세 절단도이다.
도 4b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 유압실린더의 상세 절단도이다.
도 5a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 위치 센서와 기계적인 잠금장치를 포함하는 컴플라이언트 구동 기구의 사시도이다.
도 5b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 위치 센서와 유압 잠금장치를 포함하는 컴플라이언트 구동 기구의 사시도이다.
도 5c는 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 위치 센서와 두개의 컴플라이언스 중심 맞춤 액츄에이터를 포함하는 컴플라이언트 구동 기구의 사시도이다.
도 6a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 컴플라이언트 구동 기구 및 공압 균형유닛을 나타내는 사시도이다.
도 6b는 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르는 컴플라이언트 구동 기구 및 공압 균형유닛을 나타내는 사시도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따르는 컴플라이언트 구동 기구를 나타내는 사시도이다.
도 8a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 함께 결합된 컴플라이언트 구동 기구 및 공압 균형유닛을 나타내는 사시도이다.
도 8b는 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르는 함께 결합된 컴플라이언트 구동 기구 및 공압 균형유닛을 나타내는 사시도이다.
도 9a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는, 제1 회전축에 제공된 공압 균형유닛과 결합된 제1 컴플라이언트 구동 기구, 그리고 제2 회전축에 제공된 공압균형유닛과 결합된 제2 컴플라이언트 구동기구를 나타내는 사시도이다.
도 9b는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따르는, 제1 회전축에 제공된 공압 균형유닛과 결합된 제1 컴플라이언트 구동 기구, 그리고 제2 회전축에 제공된 공압 균형유닛과 결합된 제2 컴플라이언트 구동기구를 나타내는 사시도이다.
도 10a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 수직축 상의 컴플라이언트 구동기구를 나타내는 사시도이다.
도 10b는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따르는 수직축 상의 컴플라이언트 구동기구를 나타내는 사시도이다.
도 10c는 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르는 수직축 상의 컴플라이언트 구동기구를 나타내는 사시도이다.
도 10d는 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르는 수직축 상의 컴플라이언트 구동기구를 나타내는 사시도이다.
도 10e는 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르는 수직축 상의 컴플라이언트 구동기구를 나타내는 사시도이다.
도 10f는 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르는 수직축 상의 컴플라이언트 구동기구를 나타내는 사시도이다.
도 11은 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르는 복수개의 컴플라이언트 구동기구를 구비한 테스트 헤드 머니퓰레이터를 나타내는 사시도이다.
도 12a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 테스트 헤드를 핸들러에 도킹시키기 위한 도킹장치를 나타내는 사시도이다.
도 12b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 핸들러에 결합된 도킹장치를 나타내는 사시도이다.
도 12c는 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 테스트 헤드를 핸들러에 도킹시키기 위한 도킹장치의 단면도이다.
도 12d는 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 테스트 헤드를 핸들러에 도킹시키기 위한 도킹장치의 다른 단면도이다.
도 13은 종래 테스트 헤드의 조립상태를 나타내는 도면이다.
도 14는 6개의 이동축을 나타내는 도면이다.
도 15a 내지 도 15n은 본 발명에 따르는 여러 가지 바람직한 실시예에 따르는 순서도이다.
본 발명은 테스트 헤드가 축에 대해서 실질적으로 무중력상태가 되도록 축에 대해서 상대적으로 테스트 헤드의 균형을 맞추도록 하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 테스트 헤드 머니퓰레이터의 많은 축들에 적용될 수 있다. 또한, 본 발명은 테스트 헤드의 축들 중 적어도 하나에 대해 상대적인 운동의 컴플라이언트 범위를 테스트 헤드에 제공하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
후술하는 본 발명의 여러 가지 실시예에 대한 상세한 설명은 첨부된 도면을참고로 하여 기술한다. 도면은 축적에 관계없이 본 발명을 가장 잘 나타낼 수 있도록 도시하였다.
디바이스를 테스트하는 동안, 테스트 헤드는 완전히 잠겨진 상태를 유지한다. 핸들러/프로버는 테스트될 각각의 디바이스를 테스트 인터페이스에 대해서 번갈아 자동적으로 위치시키는 기구와 함께 구비된다. 상기 기구는 도크를 통해 테스트 헤드 및 머니퓰레이터와 결합하는 핸들러/프로버에 낮은 진동수를 가지는 기계적 진동을 발생시킨다. 이들 진동과 관련된 에너지는 안전하게 제거되어야 한다. 이러한 이유 때문에, 많은 사용자들은 래치 도킹을 사용하며 그리고 테스트 동안 머니퓰레이터 축이 잠기지 않은 상태로 둔다. 이 경우, 진동은 마찰에 의해 제거되는 에너지와 함께 머니퓰레이터 축들의 운동에 의해서 쉽게 흡수된다. 만약, 반대로, 머니퓰레이터 축들이 테스트 동안 잠겨져 있다면, 최소한 시스템의 탄성부분이 진동을 흡수할 것이다. 테스트 헤드와 테스트 중의 디바이스와의 사이의 전기적 접촉, 예를 들면 포고(pogo) 핀들과 프로브들은 정밀한 기계적 구조를 가지며, 이들은 상기 진동 에너지의 흡수를 통해서 손상되거나 또는 사용수명이 감소될 것이다. 래치 도킹 시스템이 아닌 경우, 테스트 동안 테스트 헤드가 완전히 잠겨진 상태를 유지하도록 머니퓰레이터 축을 잠그는 것이 바람직하다. 진동을 흡수하기 위해 하나 이상의 축을 잠겨지지 않은 상태로 두기 위해서는, 축들의 균형이 맞춰지고 컴플라이언트 상태일 필요가 있다. 따라서, 테스트 헤드가 잠겨져 있는 동안, 축을 균형이 잡힌 컴플라이언트 상태로 유지하는 것이 좋다.
불균형 상태의 테스트 헤드는 디바이스 핸들러 또는 프로버와 도킹될 때 불균형 힘의 전체 또는 일부를 도킹될 장치에 가한다는 사실에도 또한 주목한다. 일반적으로 상기 장치는 수직 부하(load)만을 지지하도록 설계된다. 불균형 힘은 반드시 수직방향인 것은 아니며 일반적으로 예측 불가능한 크기 및 방향을 가진다. 미지의 불균형 힘은 장치에 손상을 입히고 웨이퍼 및 디바이스를 조종하도록 내부에 구비된 자동장치(automation)를 손상시킬 수도 있다. 이에 따라 불균형 힘이 테스트 헤드가 디바이스 핸들러/프로버와 도킹되는 전체 기간동안 무력화된다면 바람직하다.
또한 디바이스 핸들러/프로버에 대해서 수직으로 부하가 작용하는 경우, 많은 통상의 머니퓰레이터는 테스트 헤드를 실질적으로 무중력 상태로 유지시키는 카운터 밸런스 타입(counterbalanced type)이다. 이는 디바이스 핸들러/프로버에 대해서 테스트 헤드가 수직으로 작용하는 부하를 최소화하며, 구조적 요구사항을 단순화시킨다. 또한, 고 구동형(hard driven) 수직축을 갖는 머니퓰레이터의 경우, 수직 로드는 도킹시 디바이스 핸들러/프로버로 부분적으로 전달되기도 하며, 이에 따라 머니퓰레이터에 대한 구조적 요구사항을 증가시킨다. 수직 컴플라이언스를 갖는 고 구동형 수직축에서 테스트 헤드가 디바이스 핸들러/프로버와 도킹된 상태로 유지되는 전체 시간동안 카운터 밸런스 조건을 유지할 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 공압식(pneumatic-based) 카운터 밸런스 기구의 경우, 최종의 공기 누출량이 카운터 밸런스 힘의 손실량을 뜻한다.
공압식 컴플라이언스 기구를 구비한 테스트 헤드 머니퓰레이터 시스템에서, 대체로 테스트 헤드가 도킹 기구에 근접하는 도킹 바로 직전에 이 시스템의 균형을맞추는 것이 필요하다는 점을 고려해야 한다. 종래의 일부 시스템에서는, 상기와 같이 실행하기 위해 테스트 헤드가 컴플라이언트 범위를 자유롭게 이동해야한다. 상기 균형을 맞추는 과정에서, 테스트 헤드가 갑자기 및 예기치 않게 상당한 거리를 큰 힘으로 이동할 수도 있다는 것이 경험적으로 알려졌다. 이같은 동작은 도킹 장치와의 충돌을 일으키며 섬세한 전기적 컨택트들에 손상을 입힐 수 있다. 또한 작업자가 위험할 수도 있다.
테스트 헤드가 대형화되고 보다 더 복잡해져서, 이에 상응하여 임계 이동축에서의 불균형성이 증가되어왔다. 상기 불균형을 무효화시키는 수단을 구비하여 테스트 헤드가 효율적으로 조종되고 및 위치될 수 있으며, 작업자 및 장치 모두가 안전하도록 하는 것이 중요하다.
이중 공압식 실린더와 같은, 하나이상의 실린더를 이용하여 불균형성을 상쇄(offset)시키는 기술이 제안되었다. 상기 실린더들은 두개의 공기 유입구(air inlet) 및 이들 유입구 사이에 끼워 맞춰진 하나의 피스톤을 구비한다. 제 1 공기 유입구는 연장 유입구(extend inlet)로, 제 2 공기 유입구는 수축 유입구(retract inlet)로 알려져 있다. 피스톤은 양 측면상의 압력차에 따라 이동한다. 이 피스톤에 장착된 연결 로드는 실린더와 동축이며 한 단부를 통과하여 선형 힘 및 운동을 부하에 가한다. 압력이 수축 입력보다 연장 입력에서 높은 경우, 연결 로드는 실런더로부터 연장한다. 반대로, 압력이 연장 입력보다 수축 입력에서 높은 경우, 연결 막대는 실린더를 향해 수축한다. 피스톤의 위치를 지시하기 위해서 위치 센서가 구비될 수 있다. 이에 따라 상기 실린더 및 적절한 제어 시스템이 예컨대 피치축과같은, 특정 축과의 연결되어 사용될 수 있을 것이다. 상기 제어 시스템은 모든 힘의 불균형을 무효화하는데 필요한 만큼 공기를 연장 또는 수축 유입구내로 펌핑하고 및 테스트 헤드가 조작 및 도킹될 때 컴플라이언트 운동을 제공한다. 이중 공압 실린더는 스프링과 같은 효과를 제공하는 것으로 알려져 있다; 즉, 축에서의 불균형을 상쇄시키기 위해서 압력차를 조정하였을 때, 테스트 헤드는 마치 매우 작은 힘으로 균형이 잡혀진 것처럼 이동할 수 있게 된다.
이러한 방법은 몇가지 이유 때문에 실행하기가 매우 곤란하다. 첫째, 단지 피드백(feedback) 기구는 피스톤 위치이다. 둘째, 피스톤의 한 측면에서부터 다른 측면까지의 및 연결 막대가 실린더의 단부를 통과하는 지점으로부터의 공기 누설량을 최소화하기 위해 공압 실린더에 시일(seal)이 사용된다. 이들 시일은 상기 운동 경로내에서 정지 및 동적 마찰력을 모두 제공한다. 통상적으로, 공압 실린더는 "이탈력(브레이크-어웨이 힘, break away force)"으로 알려진 특성을 가지고 있다. 공압 실린더의 이탈력은 정지 마찰력을 극복하는데 필요한 힘이며 실린더내에서 피스톤을 이동시킨다. 정지 마찰력(스틱션, stiction)은 중요하며 시간, 용도, 온도에 따라 변한다. 정지 마찰력은 종종 동적 또는 운동 마찰력보다 크다. 따라서, 변화를 얻기 위해 제어 시스템은 적어도 위치 변화(즉, 운동)를 감지할 때까지 공기 압력차를 바람직하게 조정하고 그 다음 바람직한 결과치에 맞도록 운동에 대해 분석한다. 정지 마찰력으로 인해, 운동을 시작하기 위한 공기 압력차는 공압 실린더의 동적 마찰력과 합성된 부하 불균형보다 훨씬 큰 경우가 자주 있다. 이는 매우 비선형적이고 불안정한 제어 문제를 유발할 수 있다. 특히 정지 마찰력의 구성요소의동적 성질의 측면에서 확실한 해법을 찾아 유지시키기는 어렵다.
이중 공압 실린더는 퍼텐셜(potential)을 부여하여 테스트 헤드 축의 불균형을 보상하는 유용한 수단을 제공하지만; 유용한 해결법이 될 수 있는 새로운 접근방법이 요구된다. 본 발명의 두번째 목적은 이중 공압 실린더의 단점을 극복하는 수단을 제공하여 실린더의 장점이 확실히 실현될 수 있도록 하는 것이다.
바람직한 실시예에서, 본 발명은 적어도 하나의 테스트 헤드 축에서의 불균형을 보상하여 테스트 헤드가 효율적이고 안전하게 조종되고, 도킹 및 도킹 해제될 수 있도록 한다. 본 발명은 상술된 바와 같은 (예컨대) 다른 구성요소들과 결합된 적어도 하나의 이중 공압 실린더와 같은 힘 공급원(source) 및 새로운 기초 제어 구조(scheme)를 구비한다. 그 결과로 된 실린더와 구성요소들의 어셈블리를 "균형 유닛"이라고 한다. 요약하면, 단일축에 있어서, 테스트 헤드가 헤드의 지지 구조물에 대해 적절한 위치에 먼저 위치되고 잠겨진다. 이에 따라 테스트 헤드는 문제의 대상이 되는 축에 대해 잠겨진다. 균형 유닛 내에 포함된 힘 센서(즉, 양방향 로드 셀)는 잠겨진 축 주위에 작용하는 불균형 힘을 측정하여 불균형의 양 및 불균형의 방향을 결정한다. 이어서 이중 공압 실린더의 두 측면에서의 공기 압력을 조절하여 힘 센서에 의해 검출된 힘이 소정의 최소값 이하로 감소되도록 하며, 그 값은 테스트 헤드의 무게 및 실린더 특성에 따라 통상적으로 5 내지 25 파운드가 합리적이다. 그 다음 잠금(lock)이 해제되고, 공압 실린더내의 압력차가 연결 로드를 통해 힘을 테스트 헤드에 전달하여 힘의 불균형을 해소시킨다. 이러한 공정은 선택된 테스트 헤드 축을 균형이 맞춰진 상태, 자유롭게 이동할 수 있는 상태로 유지하는데 필요한 만큼 자주 반복할 수 있다.
도 1a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 테스트 헤드 머니퓰레이터에 대한 테스트 헤드 균형 시스템을 나타내는 사시도이다. 두개의 단부를 갖는 균형 유닛(110)이 제공된다. 상술된 바와 같이, 균형 유닛은 다른 구성요소와 조합된 힘 공급원(즉, 이중 공압 실린더) 및 축에 관해 테스트 헤드의 균형을 맞추기 위한 새로운 제어 구조이다. 균형 유닛(110)의 제 1 단부는 테스트 헤드(100)와 연결된다. 균형 유닛(110)의 제 2 단부는 피봇축(102)에 대한 지지 구조물(미도시)과 연결된다. 균형 유닛(110)의 목적은 테스트 헤드(100)의 무게 중심이 피봇축(102)과 일치하지 않을 때, 피봇축(102)에 대한 테스트 헤드(100)의 이동이 용이하도록 하는 것이다. 도1(a)에 도시된 바람직한 실시예에서, 균형 유닛(110)은 다음에 기술되는바와 같이, 이중 공압 실린더(128) 및 이에 결합되는 구성요소들을 포함한다.
균형 유닛(110)은 힘 센서(120), 및 힘 로드(112)를 포함한다. 힘 센서(120)는 힘 로드(112)와 결합하여 힘 로드를 따라 힘을 측정한다. 힘 로드(112)는 베어링(116a)을 통해 테스트 헤드(100)와 연결된다. 테스트 헤드(100)의 무게 중심이 피봇축(102)과 일치하지 않는다면, 힘은 피봇축(102) 주위로 테스트 헤드(100)에 의해 가해진다. 상기 힘의 적어도 하나의 성분은 힘 로드(112)와의 연결을 통해 힘 센서(120)에 의해 측정된다.
힘 센서(120)는 피봇축(102)에 대한 테스트 헤드(100)의 불균형 힘의 크기 및 방향을 측정 및 (예컨대 제어기에) 표시할 수 있는 양 방향 로드 셀일 수도 있다. 힘 센서(120)는 공지된 방식으로 브릿지 회로에 설치되어 상기 측정된 힘에 따라 단조롭게 변화하는 전압 출력을 제공할 수 있는 스트레인 게이지(strain gauge)를 포함할 수 있다. 아날로그에서 디지털로의 변환기 및 프로세서를 이용함으로써, 힘 로드(112)상의 힘이 자유 운동을 허용할 수 있는 최대량 보다 큰지를 결정할 수 있다; 이렇게 함으로써, 힘의 방향을 결정할 수 있다. 또한, 아날로그 비교(comparator) 회로는 상당한 힘 불균형의 존재 및 방향을 나타내는 고/노고(go/nogo) 신호를 발생시키기 위한 공지된 방식으로 사용될 수도 있다.
힘 로드(112)는 잠금장치(118)를 작동시킬 잠금장치 입구(126)를 포함하는 잠금장치(118)를 통해 공압 실린더(128)에 미끄러질 수 있도록 부착되며, 상기 잠금장치(118)는 잠금장치(118)가 작동하지 않을 때 힘 로드(112)가 실린더(128)에 대해 평행하게 움직이도록 한다. 따라서, 잠금장치(118)가 작동되지 않을 때 테스트 헤드(100)는 축(102)에 대해 회전될 수 있다. 잠금장치(118)가 작동될 때, 힘 로드(112)는 실린더(128)에 대해 더 이상 미끄러져 이동할 수 없으며; 테스트 헤드(100)는 축(102)에 대한 위치에서 잠겨진다. 잠금장치(118)는 종래 공지된 여러가지 타입 중 하나이다. 선택된 잠금장치(118)의 타입에 따라 전기적 신호, 공압식 입력, 또는 특정 분야에서 적합한 기타 수단들에 의해 제어될 수 있다.
공압 실린더(128)는 테스트 헤드(100)로부터 떨어지거나 또는 테스트 헤드를 향해 미는데 사용되는 단순한 힘의 공급원이다. 불균형 힘이 힘 센서(120)에 의해서 감지될 경우, 상기 공압 실린더(128)는 연결 로드(114)를 통해 테스트 헤드(100)에 대해 짝힘(counter force)을 가하는데 사용된다. 바람직한 실시예에서, 공기 시스템을 필요로 하는, 공압 실린더(128)가 이용된다. 짝힘은 유압 실린더 또는 전자기 디바이스와 같은, 다양한 기타 수단들을 통해 달성될 수 있을 것으로 예상된다.
공압 실린더(128)는 피스톤(130)을 통해 연결 로드(114)와 연결된다. 연결 로드(114)는 베어링(116b)을 통해 테스트 헤드(100)와 연결된다. 연결 로드(114)는 힘 로드(112)와 평행하게 설치된다. 실린더(128) 및 연결 로드(114)의 축들은 테스트 헤드(100)의 회전축(102)에 직교한다. 상기 축들은 하나의 축을 따라 작용하는 힘이 테스트 헤드의 회전축(102) 주위에 모멘트(moment) 또는 토크(torque)를 발생시키도록 배열된다. 연결 로드(114)를 충분한 힘으로 연장 및 수축함으로써 테스트 헤드(100)를 축(102)에 대해서 회전시키게 된다.
공압 실린더(128)는 베어링(138)을 통해 지지구조물(미도시)와 연결된다. 공압 실린더(128)내부에서, 피스톤(130)은 피스톤(130)의 두 측면상의 공기 압력차에 따라 움직인다. 공압 실린더(128)내에서 피스톤(130)의 한 측면은 연장 유입구(134)를 포함한다. 공압 실린더(128)내에서 피스톤(130)의 다른 측면은 수축 유입구(132)를 포함한다. 공압 실린더의 공기 유입구(132, 134)는 전기적으로 작동된 제어 밸브(미도시)에 의해서 비교적 고압인 공기의 공급장치(미도시)와 각각 연결된다. 경우에 따라, 어큐뮬레이터(미도시)는 각 유입구(132, 134)에 부착되어 피스톤(130)에 대해 작용할 대량의 공기를 제공한다.
작동시 힘 센서(120)는 테스트 헤드(100)로부터의 불균형 힘을 감지하는데 사용되며; 이후 공기는 수축 유입구(132) 및 연장 유입구(134)에 제공되어 힘 센서(120)에 의해 감지된 힘을 상쇄시킨다. 이에 따라 압력차는 피스톤(130)을 사이에 두고 발생된다. 힘 로드(112)내 힘을 예정된 최대 허용 가능한 불균형 힘보다 작은 크기로 감소시키기에 충분한 크기 및 방향으로 하는 것이 목적이다.
도 1a를 참조하면, 공압 실린더(128)는 공압 실린더(128)내 피스톤(130)의 위치를 예컨대 제어기에 표시할, 두개의 피스톤 위치 센서(136a, 136b)를 포함한다. 예를 들면, 한계(limit) 스위치는 피스톤(130)이 실린더의 중앙 위치에 있는지 또는 실린더(128)의 단부에 위치하고 있는지 여부를 나타내기 위해서 사용될 수도 있다. 필요하다면 보다 정교한 위치 감지 수단을 제공할 수도 있다. 예컨대, 적절한 전자식의 전위차계(potentiometer), 절대 인코더(absolute encoder), 증분 인코더(incremental encoder) 등은 실린더(128)에 대한 피스톤(130) 및 연결 로드(114)의 위치에 관한 정확한 위치 정보를 제공하는데 사용될 수 있다. 상기 위치 감지기구는 시스템 구성을 용이하게 하고, 셋업(set up) 및 유지보수하기 위해 영점조정 및 조절가능한 것이 바람직하다.
제어기(미도시)는 유입구 밸브(132, 134) 및 잠금장치(118)를 작동시키고 위치 센서(136a, 136b) 및 힘 센서(120)의 피드백 신호를 수취하기 위해서 제공된다. 예를 들면, 동작 개시할 때, 핸들러와 도킹되지 않은 상태의 테스트 헤드(100)에 있어서, 공압 실린더(128)는 일반적으로 가압되지 않은 상태이다. 제어 동작에 앞서, 테스트 헤드(100) 및 장치가 앞으로 행해질 균형 작동을 방해하는 다른 객체 또는 구조물에 대해 정지하지 않도록 주위를 기울여야한다. 테스트 헤드(100)는 현재 이미 비교적 균형이 잡혀진 상태이거나 또는 균형이 잡혀지지 않은 상태이며, 후자의 경우가 더 많다. 만약, 잠금장치(118)가 이미 작동되지 않았다면, 이후 잠금장치(118)를 작동시켜 테스트 헤드(100)를 제 위치에 잠근다. 어떤 경우, 테스트 헤드(100)를 어떤 적절한 위치에 먼저 이동시켜야할 필요가 있다. 상기 이동은 수동 수단에 의해; 또는, 위치 피드백과 결합된 공압 실린더(128)를 이용할 수 있게 하는 적절한 알고리즘을 탑재한 제어기에 의해서 행할 수 있다. 상술된 정치 마찰력을 고려하면, 상기 제어 알고리즘은 어렵다는 점을 주목한다. 이 점은 잠금장치(118)를 공급하기 전에 테스트 헤드(100)를 적절한 위치에서 정지하게 되도록 할 때 사실로 나타난다. 그러나, 적절한 잠금장치(118)는 브레이크(brake)로 사용될 수 있으며, 테스트 헤드(100)가 바람직한 위치로 이동하면 잠금장치(118)를 작용시켜 이동을 정지시킬 수 있다.
현재 위치에 잠겨진 상태의 테스트 헤드(100)에 있어서, 제어기는 힘센서(120)로부터 유도된 신호에 응답한다. 힘 센서(120)는 피봇축(102)에 대해 테스트 헤드(100)로부터 상당한 불균형 힘이 있는지를 감지한다. 힘 센서(120)는 상기 힘의 크기 및 방향을 감지할 수 있다. 상당한 불균형 힘이 감지된다면, 피스톤(130)을 가로지르는 압력차를 상승시킬 목적으로, 수축 유입구(132) 및 연장 유입구(134)내의 공기압력이 조절된다. 상기 피스톤(130)을 가로지르는 압력차는 힘 센서(120)에 의해 측정된 힘을 소정의 최대 허용 가능한 불균형 힘 이하로 감소시키는데 충분한 크기가 된다. 이것이 달성될 때, 잠금장치(118)는 잠금이 해제되고, 테스트 헤드(100)는 피봇축(102)에 대해서 실질적으로 무중력상태가 된다. 테스트 헤드(100)는 이제 피봇축(102)에 대해서 이동될 수 있다. 이러한 과정은 피봇축(102)에 대해서 테스트 헤드(100)를 균형 잡힌 상태로 유지하는데 필요한 만큼 반복될 수 있다.
테스트 헤드(100)가 이동함에 따라, 피스톤(130)도 움직일 것이다. 압력차는 기계적 스프링과 유사하게 피스톤 변위와 함께 단순 증가한다. 피스톤(130)의 주어진 측면상에 가해진 공압력은 체적과는 반대로 변한다. 그러나, 공기 체적의 변화가 비교적 적은 변위에 있어서, 등가의 스프링 힘은 등가의 "스프링 상수"K를 가지고 변위와 대체로 거의 선형적으로 변동한다. 즉, F=Kx이며, 여기서 F는 힘의 변화이고, x는 피스톤 변위의 변화이다. K를 작게 하여, 힘이 이동범위 내에서 현저히 변화하지 않도록 하는 것이 바람직하다. K는 피스톤 변위의 증분에 대한 압력변화 부분과 총 공기 체적을 곱한 값으로 결정되며; 이는 VㆍdP/dx로 표시되며, 여기서 V는 체적, P는 압력이다. 피스톤(130)이 이동거리의 한 단부에 근접하는 경우, V는작아지고, dP/dx는 기하급수적으로 커지며, 이에 따라 K는 F와 같이 증가한다. 어큐뮬레이터(도1(a)에는 도시하지 않음)는 상술된 바와 같이 부가될 것이다. 어큐뮬레이터는 유용한 공기 V의 체적을 상당히 증가시키면서, dV/dx 및 dP/dx를 수용가능한 값으로 제한한다. 이는 "소프트 스프링" 효과로 알려진 확실히 바람직한 효과를 제공한다.
이상적으로, 상기 사이클이 한번 실행되며, 일부 변동이 시스템에 발생할 때까지 반복될 필요가 없다. 그러나, 공압 실린더(128) 시스템에는 공기 누설이 발생하며, 사이클은 필요에 따라 주기적으로 반복될 수 있다. 통상의 시스템은 사이클이 반복되기 전에 거의 약 10분 동안의 충분한 공기를 보유한다. 통상의 동작에서 사이클은 수 분(5 내지 8분)마다 자동으로 반복될 수 있다. 또한, 통상의 동작에서 테스트 헤드(100)를 바람직한 위치로 이동시키는 단계를 반복할 필요는 없다. 테스트 헤드(100)가 우연히 장애물을 만나지 않거나 또는 기타 사고를 당하지 않는다면, 허용가능한 이동범위내에 잔류된다. 테스트 헤드(100)가 현재 적절한 기능을 실행하는데 필요한 위치에 있다면, 테스트 헤드(100)를 미리 결정된 바람직한 위치로 되돌려 이동시키는 것은 불필요하다.
따라서, 도 15a에 도시된 바와 같이, 연속성을 기초하여, 바람직한 실시예에서의 일력의 작동 순서는 다음과 같다:
1. 잠금장치(118)를 잠그는 단계(1501).
2. 힘 로드(112)내 힘이 소정값 이하가 될 때까지 실린더 유입구 압력을 조절하는 단계(1502, 1503).
3. 잠금장치(118)의 잠금을 해제시키는 단계(1504).
4. 다량의 공기가 실린더(128)로부터 손실되는 시간보다 적은 시간이 흐른 후, 단계(1501)로 되돌아 가는 단계(1505).
이 같은 과정는 축(102)이 무게 중심을 직접 통과하는 것과 같이 테스트 헤드(100)가 실행되도록 하며; 이를 "정상 과정(normal sequence)"이라고 한다.
실시예의 시스템에서, 단계(1501, 1502, 1503, 1504)에 필요한 시간은 4초 이하이다. 과정의 순서를 "힘 제거화 과정(force canceling sequence)"이라고 한다.
도 1a를 참조하면, 두개의 정지 컬러(stop collar)(122, 124) 또는 "운동 제한(motion limit)"는 힘 로드(112)에 부착되어 잠금장치(118)가 이들 사이에 설치되도록 한다. 상기 정지 컬러(122, 124)는 공압 실린더(128)내의 피스톤(130)이 중앙에 있을 때, 정지 컬러(122, 124)가 잠금장치(118)의 중앙으로부터 같은 거리에 있도록 설치된다. 두개의 정지 컬러(122, 124)사이의 거리"A"는 공압 실린더(128)내의 피스톤(130)의 총 스트로크 보다 작은 것이 합리적이다. 이에 따라, 정지 컬러(122, 124)는 피스톤(130)이 실린더(128)의 단부쪽으로 주행하는 것을 방지하고 힘 로드(112) 및 힘 센서(120)의 부하를 해제시켜 상기 과정을 방해하는 것을 방지한다. 동시에 테스트 헤드(100)를 위한 정방향 운동 정지부재 역할을 한다. 시스템이 불균형한 상태이고 잠금장치(118)가 결합해제 상태라면, 두개의 정지 컬러(122 또는 124) 중 어느 하나는 불균형 힘을 지지 및 측정하는 힘 로드(112) 및 힘 센서(120)를 갖춘 잠금장치(118)를 지탱하고 있다는 것이 관찰된다.
도 1a에 도시하지 않았지만, 별도의 제어 구조가 상기 시스템에 추가되기도 한다. 예를 들어, 푸시 버튼(push button)은 작업자가 상술한 단계(1501) 또는 단계(1502)에서 시작하는 제어 과정을 초기화할 수 있도록 한다. 지시광(indicator light)은 힘 로드(112)가 잠겨졌을 때 작업자에게 경고하기 위해 추가될 수 있으며; 이는 단계(1502)가 실행되는 동안 작업자가 축(102)에서 머니퓰레이터를 이동시키려는 시도 및/또는 도킹을 시도하는 것을 피하도록 도와줄 것이다. 상기의 시도는 테스트 헤드(100)상에서 추가의 불균형 힘을 발생시키고 시스템은 이 힘을 보상처리하려는 오류를 범할 것이다. 상기 시스템은 또한 도킹 기구내에서 센서와 통합되어, 예컨대 시스템이 잠겨진 상태 및/또는 도킹이 불가능한 상태가 될 수 있다. 또한 테스트 헤드(100)가 도킹될 위치에 있음을 감지하고 도킹직전에 상기 과정을 실행시키는 것이 바람직하다. 이는 상기 과정이 도킹이 실제로 실행되는 중에는 수행되지 않고 도킹 개시직전 불균형을 최적으로 보상할 수 있도록 한다.
"잠금 과정(locked sequence)"이라고 불리는, 또 다른 제어 사이클은, 선택된 응용분야에서 실행가능하며 유용하다. 상기 잠금 과정에서, 테스트 헤드(100)가 도킹될 장치(도1(a)에 도시하지 않음)로부터 떨어져있을 때, 상기 테스트 헤드(100)는 축(102)에 대해 대체로 중앙 위치에서 잠겨진 상태로 유지된다. 이것이 "바람직한 잠금 위치(desired locked position)"이다. 테스트 헤드(100)가 도킹될 준비 위치내로 조종될 때, 힘 제거 순서가 개시된다; 즉, 공압 실린더(128)내의 공기 압력은 힘 로드(112)내의 힘이 효과적으로 제거될 때까지 조절된다. 그 다음 잠금장치(118)의 잠금이 해제되고, 도킹이 실행될 수 있게 된다. 테스트 헤드(100)는 수동으로 또는 공압 실린더(128) 및 위치 센서(136a, 136b)를 사용하는 자동 제어에 의해서 바람직한 잠금 위치에 위치된다. 즉, 시동 초기에, 테스트 헤드(100)는 도킹되지 않은 상태이며, 제어기는 잠금장치(118)를 먼저 해제시킨다. 그 다음 테스트 헤드(100)는 제어될 축(102)에 대해 바람직한 잠금 위치로 이동할 것이다; 예를 들어, 위치 센서(136a, 136b)에 의해 표시되는 거의 중앙 위치로 이동한다. 자동 제어의 경우, 테스트 헤드(100)를 공압 작용만으로 정지위치에 도달하도록 하는 것보다 바람직한 잠금 위치에서 멈추게 하기 위해 잠금장치(118)를 브레이크로 사용하는 것이 바람직하다.
정상 과정을 이용하여 도킹을 준비하는 경우, 테스트 헤드(100)는 공압 실린더(128)에 의해 맞물림이 해제된 잠금장치(118) 및 균형이 잡혀진 테스트 헤드(100)와 함께 도킹 준비 위치(ready-to-dock position)로 조종된다. 시스템에 따라 다르지만, 도킹 준비 위치가 이루어진 경우 작업자 또는 센서는 도킹 준비 신호를 제공한다. 상기 신호에 따라서 힘 제거 과정은 테스트 헤드(100)가 가능한 균형이 잡혀지도록 하기 위해 실행된다. 상기 잠금 과정의 접근방식이 사용될 때, 테스트 헤드(100)는 맞물려진 잠금장치(118)와 함께 도킹 준비 위치로 조종된다; 그리고, 도킹 준비 신호가 수취될 때, 상술된 힘 제거 과정의 단계(1502, 1503)만이 번갈아서 실행된다. 이때 어떤 경우나, 테스트 헤드(100)는 도킹 될 준비상태이고, 새롭게 균형이 맞춰지며 및 모든 축에서 자유이동할 수 있는 상태이며, 상기 도킹 기구는 테스트 헤드(100)를 완전 도킹 위치로 끌어당기기 위해 작동되어 맞물린다. 일부 분야에서, 전체 도킹이 달성된 것을 알리는 신호가 (작업자 또는 센서에 의해) 주어지면, 잠금장치(118)가 다시 적용된다. 테스트 헤드를 이용하여 집적 회로를 테스트하는 동안, 잠금장치(118)는 적용된 상태로 유지된다. 상기 두 경우, "도크제거(clear-of-dock)"신호가 작업자 또는 센서에 의해 제공될 때까지 도킹 해제 상태 동안 잠금장치(118)가 적용된 상태로 유지된다. 상기의 두 경우, 힘 제거 과정이 실행될 것이다. 잠금 과정의 경우, 테스트 헤드(100)를 바람직한 중앙 위치에 설치하는 과정이 최종적으로 실행되며 잠금장치(118)가 맞물린다. 정상 과정의 경우, 잠금장치(118)를 맞물리지 않은 상태로 둔다.
이하에 기술되는 바와 같이, 어떤 경우 도킹되는 동안 잠금장치(118)를 잠금이 해제된 상태로 두는 것이 바람직하다. 도킹에 대한 추가 정보는 아래와 같다.
도 1b는, 도 1a에 기술된 시스템과 동일한 시스템을 나타내지만, 도 1b에 있어서 베어링(116a, 166b)이 서로 결합되어 있으며 한 지점에서 테스트 헤드(100)와 접속되는 점이 상이하다. 반대로, 도 1a에서는, 베어링(116a, 166b)은 테스트 헤드(100)와 개별적으로 연결된다.
이에 따라 설명한 균형 기구는 도 6a, 도 6b, 도 8a 등에서 용도에 맞게 개조된다. 이러한 도면들에 관한 설명은 공기 제어에 관한 보다 상세한 정보 및 기타 문제점이 제공한다.
도 1c는 도 1a에 도시된 시스템과 동일한 시스템을 나타내지만, 도 1a에서의 잠금장치(118) 및 힘 센서(120)와는 반대로, 도 1c에서는 압력 센서(146a, 146b)를 포함하는 유압 잠금장치(140)가 사용된다. 도 1a에 도시된 시스템과 같이, 도 1c의 시스템은 상술된 정상 과정 또는 잠금 과정을 실현시킬 수 있다. 도 4b는 보다 상세한, 유압 잠금 유닛(140)의 절단면을 나타낸다. 여기서, 힘 로드(112)는 이중 유압 실린더(140)의 피스톤(144)에 부착된다.
도 1c에 도시된 바와 같이, 유압 실린더(140)는 공압 실린더(128)에 견고하게 부착된다. 유압 실린더(140)는 적절한 비압축성 유체(미도시)로 채워진다. 유압 실린더(140)내에서, 피스톤(144)은 피스톤(144)의 두 측면상의 압력차에 따라 이동한다. 피스톤(144)의 각 측면은 제어 밸브(142)를 지나는 튜브(152)에 의해 다른 하나와 연결된 유체 유입구(154)를 포함한다. 제어 밸브(142)의 각 측면에는, 두개의 유체 유입구(154) 중 하나와 각각 연결되는, 압력 센서(146a, 146b)가 있다.
유압 유체가 실질적으로 비압축성이기 때문에, 힘 로드(112)는 제어 밸브(142)가 닫혀져 있을 때, 잠겨진다. 힘 로드(112)는 제어 밸브(142)가 열려져 있을 때, 자유롭게 이동한다. 상기 이동은 시스템을 통과하는 유체의 흐름에 의해서만 방해된다. 상기 흐름은 호스(hose), 튜브, 오리피스(orifice)의 크기 및 밸브 작동에 의해 제어된다. 상기 흐름을 적절히 제어함으로써 유용한 시스템 댐핑(damping)을 제공할 수 있다. 피스톤(144)의 양 측면의 압력이 제어 밸브(142)가 닫히는 순간 동일하다 해도, 힘 로드(112)상에 가해진 테스트 헤드(100)의 불균형은 피스톤(144)의 한 측면의 압력을 증가시키고 피스톤(144)의 다른 한 측면의 압력을 감소시킨다. 두개의 압력 센서(146a, 146b)에 의해 감지되는 압력차는 힘 로드(112)에 인가된 힘의 크기 및 방향을 나타낸다.
도 1c에 도시된 시스템의 동작은, 도 1a의 시스템에 대해 기술된 바와 같으나, 유압 밸브(142)는 기계적 잠금장치(118) 대신 작동되고 압력 센서의 출력은 제어기에 의해 판독 및 실행되어 힘 로드(112)내의 힘을 표시하는 점이 다르다.
동작시 압력 센서(146a, 146b)는 테스트 헤드(100)로부터의 불균형 힘을 감지하는데 사용된다; 공기는 공압 실린더(128)의 수축 유입구(132) 및 연장 유입구(134)에 제공되어, 압력 센서(146a, 146b)에 의해 감지된 힘을 상쇄시킨다. 도 4(a)가 공압 실린더(128)의 보다 상세한, 절단면을 제공한다. 수축 유입구(132) 및 연장 유입구(134)로 유입된 공기압을 통해, 압력차가 피스톤(130)을 가로질러 발생된다. 이 압력차가 힘 로드(112)내의 힘을 소정의 최대 허용가능 불균형 힘 이하가 되는 크기로 감소시킬 수 있는 충분한 크기 및 방향을 가지도록 하는 것이 목적이다.
도 1c에서 피봇축(102)에 대해서 테스트 헤드(100)의 균형을 맞추는 과정은, 다음과 같다. 제어 밸브(142)가 열린 상태에서, 테스트 헤드(100)가 지지구조물(미도시)에 대하여 적절한 위치에 설치되고, 제어 밸브(142)를 닫는다. 제어 밸브(142)가 닫혀져 있기 때문에, 동시에 테스트 헤드(100)가 피봇축(102)에 대해 잠겨지게 된다. 압력 센서(146a, 146b)는 피봇축(102) 주위의 테스트 헤드(100)로부터 상당한 불균형 힘이 있는지의 여부를 감지한다. 압력 센서(146a, 146b)는 상기 힘의 크기 및 방향을 감지할 수 있다. 상당한 불균형이 감지된다면, 피스톤(130)을 가로지르는 압력차를 향상시킬 목적으로, 수축 유입구(132) 및 연장 유입구(134) 내의 공기압력이 조절된다. 이는 피스톤(130)을 가로지르는 압력차가 압력 센서(146a, 146b)에 의해 측정된 힘을 소정의 최대 허용가능 불균형 힘 이하로 감소시키기에 충분한 크기가 되도록 하기 위해서이다. 이때, 제어 밸브(142)가열리고, 테스트 헤드(100)는 피봇축(102) 방향으로 무중력 상태가 된다. 테스트 헤드(100)는 이제 피봇축(102)의 방향으로 움직일 수 있다. 상기 과정은 테스트 헤드(100)를 피봇축(102)에 대해서 균형잡힌 상태로 유지시키는 것이 필요한 만큼 반복될 수 있다.
도 1d은 도 1c에 도시된 시스템과 동일한 시스템을 나타내지만, 도 1d에서 베어링(116a, 116b)이 함께 결합되며, 단일 지점에서 테스트 헤드(100)와 연결되는 점이 다르다. 반대로, 도 1c에서 베어링(116a, 116b)은 테스트 헤드(100)와 개별적으로 연결된다.
도 2a는 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예를 나타낸다. 도 2a는 통상의 크래들(200)내에 장착된 테스트 헤드(100)의 텀블축(피봇축)(102)에 대해서 균형 유닛(110)을 적용한 것을 나타내는 사시도이다. 테스트 헤드(100)는 텀블축(102)의 두개의 단부 지점에서 크래들(200)과 연결된다. 두개의 단부를 갖는 균형 유닛(110)이 제공된다. 균형 유닛(110)의 제1 단부는 테스트 헤드(100)와 연결된다. 균형 유닛(110)의 제 2 단부는 크래들(200)과 연결된다. 크래들(200)은 텀블축(102)에 대한 테스트 헤드(100)를 위한 지지구조물이다.
테스트 헤드(100)의 무게 중심이 텀블축(102)과 일치하지 않는다면, 테스트 헤드(100)는 도 2a에 도시된 위치에서 떨어져서, 텀블축(102) 둘레를 회전할 것이다. 균형 유닛(110)은, 텀블축(102)에 대한 테스트 헤드(100)의 무게 중심을 균형 잡기 위해 짝힘을 제공하며, 도 2a의 테스트 헤드(100)의 위치를 유지시킨다. 따라서, 테스트 헤드(100)는 텀블축(102)에 대해 실질적으로 무중력상태가 되므로,축(102)에 대한 테스트 헤드(100)의 수동 이동이 용이하게 된다.
도 2b는 도 2a의 시스템과 동일하지만, 도 2b에 있어서 베어링(116a, 116b)이 서로 결합되어 있으며 단일 지점에서 테스트 헤드(100)와 연결되는 점이 상이하다. 이와는 반대로 도 2a에서 베어링(116a, 116b)은 테스트 헤드(100)에 개별 연결된다.
도 3a는 본 발명에 또 다른 실시예를 나타낸다. 도 3a는 테스트 헤드(100)의 피봇축(102)에 대한 균형 유닛(110)의 적용을 나타내는 사시도이다. 테스트 헤드(100)는 지지 아암(support arm)(302) 및 홀딩 플랜지(holding flange)(300)에 의해 지지된다. 베어링(305)은 테스트 헤드(100)의 내측면에 탑재된다. 지지 아암(302)은 테스트 헤드(100)의 외측면상에서 홀딩 플랜지(300)와 연결된다. 두 단부를 갖는 균형 유닛(110)이 제공된다. 균형 유닛(110)의 제1 단부는 테스트 헤드(100)와 연결된다. 균형 유닛(310)의 제2 단부는 홀딩 플랜지(300)와 연결된다. 홀딩 플랜지(300)는 피봇축(102)을 위한 지지구조물이다.
테스트 헤드(100)의 무게 중심이 피봇축(102)과 일치하지 않는다면, 테스트 헤드(100)는 도 3a의 위치로부터 떨어져서, 베어링(305)을 통해 피봇축(102) 둘레를 회전할 것이다. 균형 유닛(110)은 도 3a의 테스트 헤드(100)의 위치를 유지시키며, 피봇축(102) 주위의 테스트 헤드(100)의 무게 중심의 균형을 맞추기 위해서 짝힘을 제공할 것이다. 따라서, 테스트 헤드(100)가 피봇축(102)에 대해 무중력상태가 되며, 테스트 헤드(100)의 수동 이동이 용이하게 된다.
도 3b은 도 3a의 시스템과 동일한 시스템을 나타내지만, 도 3b에 있어서 베어링(116a, 116b)이 함께 결합되어 있으며 단일 지점에서 테스트 헤드(100)와 연결되는 점이 상이하다. 반대로, 도 3a에서, 베어링(116a, 116b)은 테스트 헤드(100)와 각각 연결된다.
본 발명이 하나의 축(102)과 결합된 하나의 균형 유닛(110)에 대해 기술되었으나, 두개 이상의 유닛이 하나의 축 또는 복수개의 축상에 적용될 수도 있다. 하나 이상의 유닛이 사용될 때, 이들은 다른 유닛과 상호 작용할 수 있다. 전체 제어 구조는 상기 잠재적인 상호작용을 고려하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 두개의 유닛이 두개의 개별 회전축을 제어하는데 사용된다면 이들은 동시에 작동되어야 한다. 본 발명의 배경기술에 설명된 바와 같이 구형 베어링과 함께 장착된 테스트 헤드를 제어하는데 셋 이상의 유닛이 바람직하게 사용되기도 한다는 것이 주목된다.
도 5a는 불균형 힘이 거의 혹은 전혀 없고 컴플라이언트 힘이 마찰로 인해 우세한 수평축에서 사용하기에 적절한 본 발명의 실시예에 따른 기본적인 컴플라이언트 드라이브(512) 기구를 나타낸다. 도 5a에서, 플레이트(plate)(504) 및 플레이트(500)는 예컨대 홀트(Holt)등에 의한 PCT 국제출원 US00/00704 "테스트 헤드 머니퓰레이터(TEST HEAD MANIPULATOR)"에 공지된 바와 같이 형성된, 하나 이상의 수평축을 갖는 머니퓰레이터 베이스의 구조에 사용된 플레이트를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 두개의 선형 가이드(guide) 레일(503a, 503b)은 서로 평행하게 설치되며 플레이트(504)의 상부 표면에 단단하게 부착된다. 두쌍의 볼 슬라이드(ball slide), 즉 제1 쌍이 볼 슬라이드(502a, 502b)를 포함하며, 제2 쌍이 볼 슬라이드(502c, 502d)를 포함하는 볼 슬라이드는, 플레이트(500)의 바닥에 부착된다. 제1 쌍의 볼 슬라이드(502a, 502b)는 선형 가이드 레일(503a)과 미끄러질 수 있도록 결합한다. 제2 쌍의 볼 슬라이드(502c, 502d)는 선형 가이드 레일(503b)과 미끄러질 수 있도록 유사하게 결합한다. 따라서, 플레이트(500)는 플레이트(504)와 평행하며, 플레이트(500)는 선형 가이드 레일(503a, 503b)에 의해 규정된 축을 따라 플레이트(504)에 대해 선형적으로 이동할 수 있다. 이러한 배치는 테스트 헤드 머니퓰레이터 베이스 내에서 인-아웃(in-out) 또는 사이드-대-사이드(side-to-side) 이동을 행하게 한다. 이러한 배치는, 홀트 등에 의한 PCT 국제출원 US/00/00704 "테스트 헤드 머니퓰레이터"에 기술된 바와 같이 수평면에 관한 수직축에 대해서 회전하는 수평 플레이트에 의해 제공된 스윙(swing) 운동에 적합에 하다는 사실에도 또한 주목한다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 운동에 대한 저항은 볼 슬라이드(502a, 502b, 502c, 502d) 및 선형 가이드 레일(503a, 503b)과 조합된 마찰력들에 의해 발생된다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 편리를 위해 선형 액츄에이터(508)를 향하는 방향으로 선형 가이드 레일(503a, 503b)을 따르는 플레이트(500)의 운동을 "인"방향이라하고 하고, 반대방향의 운동은 "아웃"방향이라고 한다.
액츄에이터 모터(510)를 포함하는, 선형 액츄에이터(508)의 고정부재(stationary element)(506)는 플레이트(504)에 부착된다. 통상적으로, 선형 액츄에이터(508)는 전기 모터에 의해 구동된 볼 스크류(ball screw) 기구를 포함하며, 상기 구동되는 부재(514)가 볼 스크류이다. 하지만, 다른 기구 및/또는 스크류 타입은 적용대상에 적절하게 사용될 수 있다. 도 5a에서, 선형액츄에이터(508)의 상기 구동되는 부재는 액츄에이터 샤프트(shaft)(514)이며, 액츄에이터 모터(510)가 작동될 때 고정부재(506)로부터 연장 및/또는 고정부재로 수축하며; 액츄에이터 샤프트(514)의 이동 방향은 액츄에이터 모터(510)의 회전 방향에 의해 결정된다. 도시된 바와 같이, 선형 액츄에이터(508)는 액츄에이터 샤프트(514)가 선형 가이드 레일(503a, 503b)에 평행하는 평면 내에서 이동하도록 배열된다.
액츄에이터 샤프트(514)의 단부에는 액츄에이터 샤프트(514)의 축에 공칭 직각을 이루는 액츄에이터 샤프트를 통과하는 홀(hole)을 구비한다. 액츄에이터 샤프트(514)내의 홀을 관통하는, 클레비스(clevis)(516) 및 클레비스 핀(518)은 액츄에이터 샤프트(514)를 컴플라이언스 샤프트(520)와 결합시킨다. 컴플라이언스 샤프트(520)의 축은 액츄에이터 샤프트(514)의 축과 거의 동축인 것이 바람하나; 이는 기타 다른 배열이 가능한 당업계에서 보통의 기술 중 하나로 공지되어있다.
컴플라이언스 샤프트(520)는 잠금장치(118)를 관통하며; 잠금장치(118)는 플레이트(500)에 견고하게 부착된다. 잠금장치(118)는 전기적으로 작동된 타입 및 공압에 의해 작동되는 타입을 포함하는 여러 가지 타입 중 하나가 될 수도 있다. 잠금장치(118)가 맞물릴 때, 플레이트(500)는 컴플라이언스 샤프트(520)에 및 결과적으로 플레이트(504)에 상대적인 이동으로부터 구속된다. 이에 따라, 잠금장치(118)가 맞물린 상태에서, 선형 액츄에이터(508)는 플레이트(504)에 상대적인 선형 가이드 레일(503a, 503b)을 따라 플레이트(500)를 위치시키는데 사용될 수 있다. 잠금장치(118)가 맞물려있지 않은 상태에서, 플레이트(50)는 컴플라이언스 샤프트(520)및 플레이트(504)에 상대적으로 움직이는데 자유로우며; 결과적으로 플레이트(504)에 상대적인 플레이트(500)의 컴플라이언트 운동이 실현된다. 이러한 기구로 인해 관련된 컴플라이언스 힘은 선형 가이드 레일(503a,503b) 및 볼 슬라이드(502a, 502b, 502c, 502d)의 마찰력과, 잠금장치(118)를 통해 이동하는 컴플라이언스 샤프트(520)의 마찰력을 극복하는데 필요한 힘으로 구성된다. 특정 머니퓰레이터 및 적용장치에서 일부 추가 힘이 있을 수도 있지만, 기술된 상기 기구와 관련되지 않는다는 것을 주목한다.
연장 컴플라이언스 정지부재(522) 및 수축 컴플라이언스 스톱(524) 모두, 잠금장치(118)의 양 측면상에서 컴플라이언스 샤프트(520)에 견고하게 부착된다. 도 5a에 도시된 바와 같이. 연장 컴플라이언스 정지부재(522)는 잠금장치(118) 및 클레비스(516) 사이에 위치되며; 수축 컴플라이언스 정지부재(524)는 컴풀라이언스 샤프트(520a)의 단부 및 잠금장치(118) 사이에 위치된다. 상기 컴플라이언스 정지부재(522, 524)는 플레이트(500)에 상대적인 컴플라이언스 샤프트(520)의 이동을 제한하거나, 또는 컴플라이언스 샤프트(520)에 상대적인 플레이트(500)의 이동을 제한하는데 적용된다. 잠금장치(118)가 맞물려 있지 않은 상태라면, 플레이트(500)는 두 컴플라이언스 정지부재(522, 524) 사이의 거리"D"에서 잠금장치(118)의 폭"W"를 뺀 것으로 규정되는 이동 범위에 대해서 외부 힘에 의해 이동될 것이며, 이 범위는 컴플라이언스 이동범위를 규정한다. 즉, 잠금장치(118)가 맞물려 있지 않은(그리고 바람직하게는 선형 액츄에이터(508)가 꺼진) 상태에서, 플레이트(500)는 D-W로 규정되는 거리를 선형 가이드 레일(503a, 503b)을 따라, 상술된 컴플라이언스 힘을 극복하는데 충분한, 외부 힘에 의해 이동된다.
일반적으로, 볼 슬라이드(502a, 502b, 502c, 502d) 및 선형 가이드 레일(503a, 503b)과 관련된 마찰력은, 컴플라이언스 샤프트(520) 및 잠금장치(118) 사이의 마찰력보다 크다. 따라서, 잠금장치(118)가 맞물려 있지 않은 상태라면, 선형 액츄에이터 모터(520)가 작동되며, 컴플라이언스 샤프트(520)는 잠금장치(118) 및 플레이트(500)에 상대적으로 이동한다. 액츄에이터 모터(510)는 액츄에이터 샤프트(514)가 고정부재(506)로부터 연장하도록 작동된다면, 연장 컴플라이언스 정지부재(522)는 잠금장치(118)의 방향으로 이동한다. 액츄에이터 모터(510)가 꺼지지 않은 상태라면, 연장 컴플라이언스 정지부재(522)는 컴플라이언스 범위의 끝단에 도달할 경우 잠금장치(118)를 지탱할 수 있게 되며; 또한 액츄에이터 샤프트(514)의 연장은 플레이트(500)를 플레이트(504)에 상대적으로 "아웃"방향으로 이동시킨다. 또한, 액츄에이터 샤프트(514)가 고정부재(506)를 향해 수축하도록 액츄에이터 모터(510)가 작동되면, 수축 컴플라이언스 정지부재(524)는 잠금장치(118)의 방향으로 이동한다. 액츄에이터 모터(510)가 꺼지지 않은 상태라면, 수축 컴플라이언스 정지부재(524)는 컴플라이언스 범위의 끝단에 이를 때 잠금장치(118)에 대해 지탱하게 되며; 또한 액츄에이터 샤프트(514)의 수축은 플레이트(500)를 플레이트(504)에 상대적으로 "인"방향으로 이동시킨다.
작동 시, 컴플라이언스 샤프트(520)는 플레이트(500)에 대한 이동범위내에서 일부 미리 선택된 지점의 근소한 범위내의 위치에서 위치되며, 그 위치에서 잠겨지는 것이 바람직하다. 통상적으로, 상기 지점은 두 컴플라이언스 정지부재(522,524) 사이의 중간일 것이나; 경우에 따라, 상기 지점은 두 컴플라이언스 정지부재(522 또는 524)의 하나 또는 다른 하나에 가깝게 위치되는 것이 바람직할 수 있다. 여기서 상기 근접범위를 "컴플라이언스-중립 영역"이라한다. 일반적으로 상기 컴플라이언스-중립 영역은 전체 컴플라이언트 범위의 일부분으로, 예를 들어, 40 내지 50 mm의 총 컴플라이언트 범위 내의 ±3 또는 ±4mm에 해당한다.
잠금장치(118)가 컴플라이언스 중립 영역과 연장 컴플라이언스 정지부재(522) 사이에 위치될 때, 이를 "컴플라이언스-연장 영역"이라 칭한다. 유사하게, 잠금장치(118)가 컴플라이언스 중립 영역과 수축 컴플라이언스 정지부재(524) 사이에 위치될 때, 이를 "컴플라이언스-수축 영역"이라 칭한다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 위치 센서(528)는 컴플라이언스 샤프트(520)에 상대적인 플레이트(500)의 위치를 감지하기 위해서 구비된다. 상기 위치 센서(528)는 정밀 인코더, 전위차계 등에서 한계 스위치(limit switch), 프록시미티 센서(proximity sensor), 범위 파인더(range finder) 등의 조합형까지의 범주 안에 드는 수많은 공지된 타입 중 하나이다. 최소 용량으로서, 피스톤 센서(528)는 기구가 다음의 세가지 영역 중 어디에 존재하는지를 나타내야 한다: 컴플라이언스-연장, 컴플라이언스-중립, 또는 컴플라이언스-수축.
컴플라이언스 기구(512)의 동작을 설명한다. 첫째, 잠금장치(118)는 맞물림에 해제된다. 그 다음 선형 액츄에이터(508)는 컴플라이언스 샤프트(520)를 소정의 컴플라이언스-중립 위치에 위치시키기 위해 위치 센서(528)와 함께 사용된다. 잠금장치(118)는 잠겨지고, 선형 액츄에이터(508)는 플레이트(500)를 플레이트(504)에대해 원하는 장소에 위치시키는데 사용된다. 예를 들어, 상기 원하는 장소는 테스트 헤드 또는 부하(미도시)가 도킹될 장소일 수 있다. 선형 액츄에이터 모터(510)가 꺼지고, 잠금장치(118)는 맞물림이 해제된다. 플레이트(500)는 외력에 의해 컴플라이언트 형태(compliant fashion)로 이동되며; 예를 들면, 테스트 헤드 또는 로드가 최종 도킹 위치로 끌어당겨지는 경우 도킹 기구에 의해 발생된 힘이 상기 외력에 해당된다. 특정 분야 및/또는 사용자 기호에 따라, 잠금장치(118)는 최종 도크 위치가 달성된 후 다시 잠겨지거나 또는 잠겨지지 않을 수 있다. 특정 분야 및/또는 사용자 기호에 따라, 잠금장치(118)는 테스트 헤드 또는 부하가 도킹되지 않는 동안 잠겨지거나 또는 잠겨지지 않을 수 있다. 하지만, 일단 도킹되지 않은 상태에서, 플레이트(500)의 이동이 선형 액츄에이터(508)에 의해 초기화되기 전에 컴플라이언스 샤프트(520)는 상기 과정에 따라 컴플라이언스-중립 위치에 위치되고 잠겨져야 한다.
도 5b는 도 5a의 다른 실시예를 나타낸다. 도 5b에서 유압 기구(513)는 도 5a의 잠금장치(118) 및 컴플라이언스 정지부재(522, 524)를 대신한다. 특히 이중 유압 실린더(140)의 몸체는 선형 액츄에이터(508)의 액츄에이터 샤프트(514)의 축과의 평면에서 개구(bore)의 축을 구비한 플레이트(500)에 부착된다. 다시 말해서, 선형 액츄에이터(508)를 향하는 방향에서 선형 가이드 레일(503a, 503b)을 따르는 플레이트(500)의 이동은 "인"방향이며, 도 5b에 나타낸바와 같은 반대방향의 이동은 "아웃"방향이다. 선형 액츄에이터(508)로부터 가장 멀리 있는 실린더(140)의 단부는 "연장 단부(extended end)"(532)이며 선형 액츄에이터와 가장 가까운실린더(140)의 단부는 "수축 단부(retracted end)"(533)이다. 피스톤(144)은 유압 실린더(140) 내부에 위치되며; 피스톤(144)은 유압 실린더(140)의 개구와 동축이며 유압 실린더(140)의 수축 단부(533)를 통해 연장하는 샤프트(520b)와 연결된다. 상기 샤프트(520b)는 컴플라이언스 샤프트(520)의 일부로 제공되며, 도 5a에 대해 기술된 바와 같이 클레비스(516) 및 클레비스 핀(518)의 수단에 의해 액츄에이터 샤프트(514)와 연결된다. 도 5b에서, 피스톤(144)의 대향하는 측면에 부착된 제2 샤프트(520c)는 유압 실린더(140)의 연장 단부(532)를 통해 연장한다. 상기 제2 샤프트(520c)는 컴플라이언스 샤프트(520)의 연장부로써 제공되며, 도 5b의 피스톤 센서(528)는 플레이트(500)에 관한 상기 샤프트(520c)의 위치를 감지한다. 그러나, 위치 센서(528)는 제1 샤프트(520b)와 함께 동작하여 제2 샤프트(520c)를 제공하는 가능한 추가 비용을 절약하도록 하는 시스템을 설치하는 것 또한 가능하다.
유압 실린더(140)의 두 단부 각각은 적합한 유압 유체를 실린더(140)의 안 또는 밖으로 흐르게 할 수 있는 포트(port)(154)를 구비한다. 상기 두 포트(154)는 튜브(152)에 의해 밸브(142)를 매개로 서로 연결된다. 상기 밸브(142)는 열렸을 때, 유체가 하나의 포트로부터 다른 하나의 포트로 자유롭게 흐를 수 있도록; 닫혔을 때, 유체가 두 포트(154) 사이에 흐르지 않도록 설치된다. 전체 기구는 실질적으로 비압축성 유체로 채워진다. 유체의 선택은 시스템에 누설이 있는 경우 일어날 수 있는 해로운 효과를 고려해야 한다. 또한, 상기 시스템은 물의 빙점이하의 온도에서 비행기의 화물칸에 적재되는 경향이 있기 때문에, 상기 유체는 낮은 빙점을 가져야한다. 유체가 비압축성이기 때문에, 밸브(142)가 닫혔을 때 피스톤(144)이다른 방향으로 이동할 수 없다는 것이 명확하다. 그러나, 밸브(142)가 열렸을 때, 포트(154), 튜브(152), 밸브(142) 개방에 의해 생긴 경로를 매개로 피스톤(144)의 한 측면에서 다른 측면으로 이동하는데 자유롭기 때문에 피스톤(144)이 이동할 수 있다. 밸브(142)가 닫혔을 때, 컴플라이언스 샤프트(520)의 이동은 실린더(140)가 부착된 플레이트(500) 및 유압 실린더(140)에 대해 실질적으로 잠겨진다. 이에 따라, 밸브(142)가 닫혔진 상태에서, 선형 액츄에이터(508)의 동작은 선형 가이드 레일(503a, 503b)에 의해 규정된 축을 따라서 플레이트(504)에 상대적으로 플레이트(500)를 이동시킨다. 그러나, 밸브(142)가 열렸진 상태에서, 플레이트(500)는 선형 가이드 레일(503a, 503b)에 의해 규정된 축을 따라 피스톤(144)의 가능한 스트로크(stroke)에 의해 규정된 이송 범위에 대해서 외력에 의해서 이동될 수 있으며(여기서, 스트로크는 실린더(144)의 두 단벽 사이의 내부 거리에서 피스톤(144)의 두께를 감한 거리이다.); 이는 컴플라이언트 이동범위를 규정한다. 즉, 밸브(142)가 열렸을 때(그리고 선형 액츄에이터 모터(510)가 바람직하게 꺼졌을　때), 플레이트(500)는 피스톤(144)의 가능한 스트로크에 의해 규정된 거리를 선형 가이드 레일(503a, 503b)을 따라 외력에 의해 이동될 수 있다.
일반적으로, 밸브(142)를 열려진 상태로 유압 실린더(140)내에서 이동하는 피스톤(144)에 의해서 생긴 마찰력 및 기타 힘들은 선형 가이드 레일(503a, 503b) 및 볼 슬라이드(502a, 502b, 502c, 502d)에 의해 생긴 마찰력 보다 적다. 따라서, 밸브(142)가 열리고 선형 액츄에이터 모터(510)가 작동되면, 컴플라이언스 샤프트(520)는 유압 실린더(140) 및 플레이트(500)에 상대적으로 이동한다. 액츄에이터 샤프트(514)가 고정부재(506)에서 연장되도록 액츄에이터 모터(510)가 작동된다면, 피스톤(144)은 실린더의 연장 단부(532) 방향으로 이동한다. 액츄에이터 모터(510)가 꺼지지 않는다면, 피스톤(144)은 컴플라이언스 범위의 끝단에 이를 때 실린더(140)의 연장 단부(532)에서 단부벽을 지탱하게 된다. 그다음 액츄에이터 샤프트(514)의 추가적인 연장은 플레이트(500)를 플레이트(504)에 상대적으로 "아웃"방향으로 이동시킨다. 액츄에이터 샤프트(514)가 고정부재(506)안으로 수축하도록 액츄에이터 모터(510)가 작동된다면, 피스톤(144)은 실린더(140)의 수축 단부(533)를 향하여 이동한다. 액츄에이터 모터(510)가 꺼지지 않는다면, 컴플라이언스 범위의 끝단에 이를 때 피스톤(144)은 실린더(140)의 수축 단부(533)지점에서 단부벽을 지탱하게 된다. 그 다음 액츄에이터 샤프트(514)의 추가적인 연장은 플레이트(500)를 플레이트(504)에 상대적인 "인"방향으로 이동시킨다.
작동시 피스톤(144)(및 컴플라이언스 샤프트(520)에 부착된 것)은 플레이트(500)에 대한 이동의 범위내에서 일부 미리 선택된 지점과 가까운 근접 범위내의 위치까지 위치되며, 그 위치에서 잠겨지는 것이 바람직하다. 통상적으로 상기 지점은 실린더(140)의 두 단부 사이의 중간이나; 경우에 따라서, 두 단부 중 하나 또는 다른 하나에 보다 가까운 지점에 위치시키는 것이 바람직할 수 있다. 상기 근접 범위를 "컴플라이언스-중립 영역"이라 한다. 컴플라이언스 중립 영역은 일반적으로 총 컴플라이언스 영역의 일부분이며: 예를 들어, 40 내지 50mm 총 컴플라이언스 범위내에서 ±3 또는 ±4mm에 해당한다.
피스톤(144)은 컴플라이언스 중립 영역과 실린더(140)의 연장 단부(532) 사이에 위치될 때, "컴플라이언스-연장 영역"이라 한다. 유사하게, 피스톤(144)이 컴플라이언스 중립 영역과 실린더(140)의 수축 단부(533) 사이에 위치될 때, "컴플라이언스-수축 영역"이라 한다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 위치 센서(528)는 컴플라이언스 샤프트(520)에 상대적인 플레이트의 위치를 감지하기 위해 구비된다. 위치 센서(528)는 정밀 인코더, 전위차계 등에서 한계 스위치, 프록시미티 센서, 범위 파인더 등의 조합형까지의 범주안에 드는 수많은 공지된 타입 중 하나이다. 최소한의 용량으로, 피스톤 센서(528)는 기구가 다음의 세가지 영역 중 어디에 속하는지를 나타내야한다: 컴플라이언스-연장, 컴플라이언스-중립, 또는 컴플라이언스-수축이다.
기구(513)의 작동을 설명한다. 먼저, 밸브(142)가 열린다. 그 다음 선형 액츄에이터(508)는 위치 센서(528)와 함께 피스톤(144)을 미리 정해진 컴플라이언스-중립 위치에 위치시키는데 사용된다. 밸브(142)는 피스톤(144) 및 컴플라이언스 샤프트(520)를 컴플라이언스-중립 위치에서 잠겨지도록 닫혀지고, 선형 액츄에이터(508)는 플레이트(500)를 플레이트(504)에 상대적인 원하는 위치에 위치시키는데 사용된다. 예를 들어, 원하는 위치는 테스트 헤드 또는 부하(미도시)가 도킹될 위치일 수 있다. 선형 액츄에이터(508)가 꺼지고 밸브(142)가 열린다. 플레이트(500)는 외력에 의해 컴플라이언트 형태로 이동되며; 예를 들어, 상기 외력은 테스트 헤드 또는 부하가 최종 도크 위치로 끌어당겨지는 경우 도킹 기구에 의해 발생된 힘이다. 특정 응용분야 및/또는 사용자 기호에 따라, 밸브(142)는 최종 도크 위치가 도달된 후 다시 닫혀지거나 또는 닫혀지지 않을 수 있다. 또한 특정 응용분야 및/또는 사용자 기호에 따라, 밸브(142)는 테스트 헤드 또는 로드가 도킹되지 않는 동안 열려지거나 또는 열려지지 않을 수 있다. 그러나, 도킹되지 않은 피스톤(144) 및 컴플라이언스 샤프트(520)는 플레이트(500)의 운동이 선형 액츄에이터(508)에 의해 초기화되기 전에, 상기 공정에 따른 컴플라이언스-중립 위치내에 위치되며 잠겨져야 한다.
도 5c는 불균형 힘이 약간 있거나 또는 없고 컴플라이언스 힘이 마찰로 인해 우세하게 나타나는 수평축에서 사용하기 위한 다른 실시예의 컴플라이언트 구동 기구(550)를 나타낸다. 두 가로 플레이트(500, 504), 선형 가이드 레일(503a, 503b), 볼 슬라이드(502a, 502b, 502c, 502d) 및 선형 액츄에이터(508)의 배치 및 목적은 도 5a에 도시된 바와 본질적으로 동일하다. 추가로, 컴플라이언스 샤프트(520)는 도 5a에 도시된 바와 같은 방식으로 클레비스(516) 및 클레비스 핀(518)의 수단에 의해 액츄에이터 샤프트(514)와 연결된다. 선형 액츄에이터(508)를 향하는 방향으로 선형 가이드 레일(503a, 503b)을 따르는 플레이트(500)의 운동은 "인"방향이며, 그 반대방향의 운동은 도 5c에 도시된 바와 같은 "아웃"방향이다.
컴플라이언스 샤프트(520)는, 내향 장착 브라켓(bracket)(554) 및 외향 장착 브라켓(552) 모두를 관통하며, 상기 두 브라켓은 플레이트(500)의 하부측면에 견고하게 부착되고, 상기 내향 장착 브라켓(554)은 외향 장착 브라켓(552)보다 선형 액츄에이터(508)에 가깝게 위치된다. 컴플라이언스 샤프트(520)는 장착 브라켓(552,554)에 상대적인 인-아웃 방향으로 축을 따라 자유롭게 이동할 수 있으며, 볼 슬라이드(502a, 502b, 502c, 502d)는 상기 이동을 달성하는데 사용된다. 컴플라이언스 정지부재(556)는 두 장착 브라켓(552, 554) 사이에서 컴플라이언스 샤프트(520)에 견고하게 부착된다.
외향 중심맞춤 액츄에이터(outward centering actuator)(560)의 고정부재는 외향 장착 브라켓(552)에 부착되며, 내향 중심맞춤 액츄에이터(560)의 고정부재는 내향 장착 브라켓(554)에 부착된다. 두 중심맞춤 액츄에이터(558, 560) 각각의 구동부재는 액츄에이터(558 또는 560)에 적절한 에너지를 공급할 경우 고정부재로부터 외향으로 연장하거나 고정부재로 수축하는 플런져(plunger) 또는 볼 스크류 기구이다(편의를 위해 이는 내용상 적절한 구동 부재의 타입을 뜻하는 "플런져"라는 용어를 사용한다.). 두 액츄에이터(558, 560)는, 플런져 또는 볼 스크류가 컴플라이언스 샤프트(520)의 축과 같은 축을 가지고 평행하도록 하기 위해서, 그리고 적절하게 작동될 때, 플런져 또는 볼 스크류가 컴플라이언스 정지부재(556)를 향하는 방향으로 연장하도록 하기 위해서, 대향하는 방향으로 장착된다.
내향 액츄에이터 플런져(564) 및 외향 액츄에이터 플런져(562) 모두 또는 어느 하나가 충분히 수축된다면, 컴플라이언트 운동의 범위는, 컴플라이언스 정지부재(556)와 액츄에이터 플런져(562, 564) 모두 또는 어느 하나의 단부와의 사이에 공간이 존재하도록 제공된다는 것을 알 수 있다. 상기 조건이 이루어진다면, 플레이트(500)는 장착 브라켓(552, 554) 및 컴플라이언스 샤프트(520)의 마찰력과 이에 부가하여 볼 슬라이드(502a, 502b, 502c, 502d) 및 선형 가이드 레일(503a, 503b)의 마찰력을 극복하는데 충분한 외력에 의해 선형 가이드 레일(503a, 503b)을 따라 움직일 수 있다. 가능한 컴플라이언트 이동의 총 범위는 두 액츄에이터플런져(562, 564)의 단부사이의 거리 컴플라이언스 정지부재(556)의 두께를 감한 거리와 동일하다. 따라서, 컴플라이언트 이동의 범위는, 원한다면, 도 5c의 시스템에서, 중심맞춤 액츄에이터(558, 560)에 의해 제어될 수 있으며; 반면에, 도5c 및 도5(b)의 시스템에서는 컴플라이언트 영역이 고정된다.
또한 내향 및 외향 액츄에이터 플런져(564, 562) 모두가 컴플라이언스 정지부재(556)상에서 동시에 지탱하고 있도록 각각이 연장된다면, 플레이트(500)는 컴플라이언스 샤프트(520)에 대해 적절하게 고정된다는 것을 알 수 있다. 선형 액츄에이터(508)는 플레이트(500)를 플레이트(504)에 상대적으로 이동시켜 및 위치시키는데 사용될 수 있다.
보통, 볼 슬라이드(502a, 502b, 502c, 502d) 및 선형 가이드 레일(503a, 503b)로 인해 생긴 마찰력은 컴플라이언스 샤프트(520)와 각각의 내외향 장착 브라켓(554, 552) 사이의 마찰력보다 크다. 따라서, 중심맞춤 액츄에이터 플런져(562 또는 564) 둘다 또는 어느 하나가 컴플라이언트 이동이 가능하도록 충분히 수축된다면, 선형 액츄에이터 모터(510)는 작동되고 컴플라이언트 샤프트(520) 및 컴플라이언스 정지부재(556)는 내외향 장착 브라켓(554, 552) 각각에 상대적으로 움직인다. 액츄에이터 모터(510)가 작동하여 액츄에이터 샤프트(514)가 고정부재(506)로부터 연장된다면, 컴플라이언스 정지부재(556)는 외향 액츄에이터 플런져(562)의 방향으로 이동한다. 액츄에이터 모터(510)가 꺼진다면, 컴플라이언스 범위의 끝단에 도달함에 따라, 컴플라이언스 정지부재(556)는 외향 액츄에이터 플런져(562)를 지탱하게 된다. 그 다음 액츄에이터 샤프트(514)의 추가적인 연장은 플레이트(500)를 플레이트(504)에 상대적으로 외부 방향으로 이동시킨다. 반대로, 액츄에이터 모터(510)가 작동하여 액츄에이터 샤프트(514)가 고정부재(506)로 수축된다면, 컴플라이언스 정지부재(556)는 내향 액츄에이터 플런져(564)의 방향으로 이동한다. 액츄에이터 모터(510)가 꺼진다면, 컴플라이언스 정지부재(556)가 컴플라이언스 범위의 끝단에 이를 때, 내향 액츄에이터 플런져(564)를 지탱하게 된다. 액츄에이터 샤프트(514)의 추가적인 연장은 플레이트(500)를 플레이트(504)에 상대적으로 이동시킨다.
작동시 컴플라이언스 샤프트(520)는 플레이트(500)에 상대적인 이동범위내에서 일부 미리 선택된 지점의 가까운 근접범위의 위치에서 위치되고 그 위치에서 유지되는 것이 바람직하다. 통상적으로 상기 지점은 내외향 중심맞춤 액츄에이터(560, 558) 사이의 중간이나; 경우에 따라 상기 지점을 두 중심맞춤 액츄에이터(560, 558) 중 하나 또는 다른 하나에 보다 가까이 위치시키는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 근접범위를 "컴플라이언스-중립 영역"이라 한다. 컴플라이언스 중립 영역은 일반적으로 총 컴플라이언스 영역의 일부분으로: 예를 들어, 40 내지 50mm 총 컴플라이언스 범위내에서 ±3 또는 ±4mm에 해당한다.
컴플라이언스 정지부재(556)가 컴플라이언스 중립 영역과 외향 액츄에이터 플런져(562)의 단부와의 사이에 위치될 때, 이를 "컴플라이언스-외향 영역"이라 한다. 유사하게, 컴플라이언스 정지부재(556)가 컴플라이언스 중립 영역과 내향 액츄에이터 플런져(564)의 단부와의 사이에 위치될 때, 이를 "컴플라이언스-외향 영역"이라 한다.
다음에 기술되는 바와 같이, 적절한 중심맞춤 액츄에이터 및 설계 과정이 행해진다면, 도 5c의 타입의 유용한 시스템이 플레이트(504)에 상대적인 플레이트(500)의 상대 위치를 감지할 수 있는 센서 없이 실현될 수 있다. 그러나, 위치 센서(528)(미도시)는 가능한 보다 정교한 시스템을 실현하는 것을 목적으로 구비될 수 있다. 위치 센서(528)는 정밀 인코더, 전위차계 등에서 한계 스위치, 프록시미티 센서, 범위 파인더 등의 조합형까지의 범주 안에 드는 수많은 공지된 타입 중 하나이다. 최소 능력으로, 피스톤 센서(528)는 기구가 다음의 세가지 영역 중 어디에 속하는지를 나타내야한다: 컴플라이언스-연장, 컴플라이언스-중립, 또는 컴플라이언스-수축.
위치 센서(528)없이 시스템을 실현하기 위해서, 플런져(562, 564)를 총 주행 범위에 이를 때까지 정해진 방향으로 이동시킬 수 있는 범위까지 제어될 수 있는 타입의 중심맞춤 액츄에이터(558, 560)를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 액츄에이터(558, 560)는, 에너지가 인가된 상태에서 전체 범위로 즉시 연장하며 스프링을 가한 상태하에서 에너지를 제거한 경우 완전 수축하는, 플런져(562, 564)를 구비한 솔레노이드 디바이스와 같이 단순할 수 있다. 모터 및 스크류 기구를 구비한 액츄에이터(558, 560)는 또한 적절하다. 정지부재를 액츄에이터(558,560)내에 구비되어 스크류가 이상주행(over-travelling)하는 것을 저지한다면, 그리고 모터가 정지될 경우 과열(overheating)되는 것을 적절히 방지한다면, 스크류는 주행의 한계에 이를 때까지 충분한 시간동안 공지된 방향으로 간단하게 구동될 수 있다. 또한, 모터 구동 스크류 액츄에이터는 이송 위치의 단부에 이르렀다는 신호를 보내기 위해서한계 스위치를 구비한다. 추가로 스텝 모터(stepping motor)를 구비하도록 하여, 운동 단계의 수를 제어함으로써 위치를 제어할 수 있으며, 하나 이상의 한계 스위치와 결합될 수 있다. 제2 요구사항은 바람직한 결과를 내기 위해, 각 액츄에이터 플런져(562, 564) 또는 스크류의 스트로크의 길이 및 내외향 장착 브라켓(552, 554) 및 중심맞춤 액츄에이터(558, 560)의 위치를 설계하는 것이다. 액츄에이터(558, 560)가 완전 연장된 상태일 때 컴플라이언스 정지부재(556)는 원하는 컴플라이언스-중립 위치에서 단단하게 유지되고; 두 액츄에이터(558, 560)가 완전 수축된 상태일 때 원하는 컴플라이언트 이동범위가 실현된다.
위치 센서가 없는 도 5c의 기구의 작동은 다음과 같다. 먼저 두 중심맞춤액츄에이터(558, 560)는 플런져(562, 564) 또는 스크류를 완전 연장하도록 작동된다. 이는 플레이트(500)를 컴플라이언스 샤프트(520)에 상대적인 컴플라이언스-중립 위치로 이동시킨다. 도 5c의 시스템에서 컴플라이언스-중립 위치를 달성하는 이 단계에서, 플레이트(500)는 컴플라이언스 샤프트(520)가 고정상태로 되는 동안 이동되며; 도 5a 및 5b의 시스템에서, 컴플라이언스 샤프트(520)가 상기 목적을 달성하기 위해서 이동하는 동안 플레이트(500)는 고정된 상태로 유지된다. 액츄에이터(558, 560)는, 플레이트(500)를 컴플라이언스-중립 위치에 유지시키기 위해서 플런져(562, 564) 또는 스크류를 완전 연장된 위치에 유지시킨 상태로 설치된다. 뒤로 구동될 수 없는 모터 구동식 액츄에이터(non-back-drivable motor driven actuator)에 있어서, 상기 상태는 전원을 차단함으로써 간단히 이루어진다. 솔레노이드 액츄에이터와 같은 다른 기타 액츄에이터에 있어서는, 인가된 에너지를 유지할 필요가 있다. 따라서 플레이트(500)가 컴플라이언스-중립 위치로 유지될 때, 선형 액츄에이터(508)는 플레이트(500)를 플레이트(504)에 상대적인 원하는 장소에 위치시키는데 사용된다. 예를 들어, 원하는 장소는 테스트 헤드 또는 부가(미도시)가 도킹될 장소일 수 있다. 선형 액츄에이터 모터(510)는 꺼지고 중심맞춤 액츄에이터(558,560)는 플런져(562, 564) 또는 스크류를 수축시켜서 컴플라이언트 운동에 대한 영역을 만들어내는 방식으로 제어된다. 플레이트(500)는 외력에 의해 컴플라이언트 형태로 이동되기도 하며; 예를 들어, 상기 외력은 테스트 헤드 또는 부하가 최종 도킹 위치로 끌어당겨짐에 따라 도킹 기구에 의해서 발생된 힘이다. 특정 응용 및/또는 사용자 기호에 따라, 최종 도킹된 위치에 이르렀을 때, 중심맞춤 액츄에이터(558, 560)는 플레이트(504)에 상대적인 플레이트(500)를 효율적으로 잠그는데 사용되거나 또는 사용되지 않을 수 있다. 또한, 특정 응용 및/또는 사용자 기호에 따라, 테스트 헤드 또는 부하가 도킹되지 않는 동안, 플레이트(500)는 중심맞춤 액츄에이터(558, 560)에 의해 제 위치에 유지되거나 또는 유지되지 않을 수 있다. 그러나, 도킹이 해제된 후 컴플라이언스 샤프트(520)는 플레이트(500)의 이동이 선형 액츄에이터(508)에 의해 초기화되기 전에 상기 공정에 따라 컴플라이언스-중립 위치에 위치되고 그 위치에서 잠겨져야 한다.
위치 센서(528a)(미도시)를 구비하여 컴플라이언스 샤프트(520)에 상대적인 플레이트(500)의 위치를 감지하는 도 5c에 따른 시스템이 다음에 기술되어 있다. 이러한 시스템에서 유용한 위치 피드백의 장점을 이용하기 위해서 모터에 의해서 작동되는 중심맞춤 액츄에이터(558, 560)를 사용하는 것이 가장 효과적이다. 액츄에이터 플런져(562, 564) 또는 스크류의 전체 스트로크 및 액츄에이터(558, 560)의 배치는 상술한 위치 센서(528a)가 없는 시스템에서 만큼 중요하지 않다. 액츄에이터(558, 560)는, 두 플런져(562, 564)가 모두 완전 수축될 때, 운동의 적절한 컴플라이언트 범위가 실현되도록; 또한 완전 연장될 때, 플런져(562, 564)는 적어도 컴플라이언스-중립 위치에 이르도록 설치된다. 작동은 위치 센서(528a)가 없는 시스템과 동일하지만, 위치 센서(528a)는 컴플라이언스 스톱(556)이 컴플라이언스-중립 위치에 이르게 될 때를 나타내도록 사용된다는 점이 다르다. 또한 인코더 또는 전위차계 타입 위치 센서(528a)가 사용된다면, 도 5a, 5b의 시스템은 물론 도 5c의 시스템에서, 제어 시스템의 적절한 프로그래밍을 통해 기계적 구조를 바꾸지 않고 컴플라이언스-중립 영역을 변화시키는 것이 가능하다.
도 5a(및 도5b 및 5c)의 기구는 또한 회전축에 적용될 수 있으며, 운동은 축을 따라 이동하는 병진 이동보다 축에 대한 몸체 또는 부하의 회전이다. 이 기술은 회전 및 병진이동의 조합형 운동에 적용된다. 도 7은 수직축(102)에 대해서 회전하는 몸체(100)에 적용된 컴플라이언스 기구를 나타낸다. 이는 테스트 헤드 머니퓰레이터에서의 스윙 운동과 동일하다. 도 7의 컴플라이언스 기구는 도 5a의 기구에 대한 다른 실시예를 나타낸다. 특히, 도 5a의 기구는 로드(컴플라이언스 샤프트(520))에 부착된 액츄에이터 샤프트(514) 또는 스크류 및 상기 로드(컴플라이언스 샤프트(520))상에서 작동하는 잠금장치(118)에 부착된 이동할 수 있는 몸체(플레이트(500))를 구비한다. 도 7에서는 잠금장치(118) 및 막대(힘 로드(112)의 배치가 반대이며; 즉, 액츄에이터 샤프트 또는 스크류(514)는 이동가능한몸체(100)와 차례로 결합된 힘 로드(112)상에서 작동하는 잠금장치(118)와 결합된다. 도 7의 작동은 도 5a의 작동과 전체적으로 유사하다. 도 7에 포함된 구성은 다음에 보다 상세히 설명한다.
도 5a 내지 5c의 실시예는 수평 평면내의 이동축에 대한 컴플라이언스 또는 상당한 정도의 불균형 힘이 없는 기타 상황을 나타내고 있다. 도 6a 및 8a은 불균형 힘을 상쇄시키기 위한 카운터-밸런싱 힘, 그리고 불균형 힘이 상당하고 위치에 따라 변하며 종종 예측불가능한 구동 축내의 컴플라이언스를 제공하기 위한 기구를 나타낸다. 이러한 기구를 "균형잡힌-컴플라이언트 액츄에이터 어셈블리(balanced-compliant actuator assemblies)"("BCAA")라 한다.
도 6a 및 8a에서 몸체(100)는 몸체의 무게 중심으로부터 상당한 거리로 떨어져 있으며, 몸체의 일표면에 가깝게 위치된 피봇축(102)에 대해서 회전할 수 있는 무거운 부하(즉 테스트 헤드)이다. 도 6a 및 8a의 몸체(600)는 피봇축(102)을 지지하는 지지구조물의 일부를 나타낸다. 예를 들어 몸체(100)는 인터페이스와 가깝게 위치된 피치 또는 텀블 축을 갖는 테스트 헤드를 나타내며, 몸체(600)는 테스트 헤드 머니퓰레이터(미도시)의 메인 아암과 연결된 장치에 의해 차례로 지지되는 테스트 헤드 유지 크래들의 일부를 나타낸다. 다음에서, 별도의 언급이 없으면, 피봇축(102)은 가로 평면에 있는 것으로 가정한다. 몸체의 무게 중심이 피봇축(102) 바로 밑에 있지 않도록 몸체(100)가 회전된다면, 몸체(100)의 중량으로 인한 모멘트가 몸체(100)의 위치 함수인 불균형을 생성시킨다는 것을 주목한다. 이에 따라, 컴플라이언스 힘은 마찰은 물론 상기 모멘트 및 케이블 힘과 같은 가능한 기타 효과를 극복하는데 필요한 힘을 포함한다.
도 6a 및 8a의 기구는 본 출원의 발명자 및 출원인인 Ny등의 U.S. 가출원 번호 제60/234,598호의 "테스트 헤드 머니퓰레이터에 대한 테스트 헤드 균형 시스템"에 공지되어 있는 개념을 포함한다. 특히, 도 1a, 1c, 2a, 3a, 4a 및 4b는 제60/234,598호에 기술되어 있다.
도시되지는 않았지만, 도 6a, 8a에, 시스템 제어기가 내재된다. 시스템 제어기는 제어 과정을 실행하고 제어 신호를 액츄에이터 및 밸브에 제공한다. 또한 시스템 제어기는 작업자 입력 및 센서로부터의 피드백 신호를 수취한다. 이들은 다음에 설명된다.
개요에서, 도 6a 및 8a은 모두 피봇축(102)에 대해 몸체(100)를 구동하기 위한 선형 액츄에이터(508), 잠금장치(118)를 포함하는 컴플라이언스 기구, 힘 로드(112), 몸체(100)의 컴플라이언트 운동을 허용하기 위한 두개의 컴플라이언스 스톱(522, 524), 힘 로드(112)내에 가해진 불균형 힘을 측정하기 위한 힘 센서(120), 및 불균형 힘을 상쇄시키기 위한 카운터밸런스 힘을 발생시키는 이중 공압 실린더(128)를 포함한다.
도 6a 및 8a은 매우 유사하다. 이들은 이중 공압 실린더(128)의 몸체가 지지되는 방법만이 다르다. 따라서, 두 도면의 공통 구조는 다음과 같으며; 차이점은 적당한 곳에서 각각 기술한다.
도 6a 및 8a에서, 모터(510)를 포함하는, 선형 액츄에이터(508)의 고정부재(506)는 베어링(620)의 수단에 의해 몸체(600)에 부착된다. 선형 액츄에이터(508)의 구동 부재는, 모터(510)가 작동될 때 고정부재(506)로부터 연장하거나 또는 수축하는, 액츄에이터 스크류(514)이다. 특히, 모터(510)가 제1 회전 방향으로 돌아가기 위해서 에너지가 공급된다면, 스크류(액츄에이터)는 고정부재(506)로부터 연장하며; 모터(510)가 반대방향으로 되돌아가도록 작동된다면, 액츄에이터(514)는 고정부재(506)내로 수축한다. 액츄에이터 스크류(514)는 통상 볼 스크류이나; 기타 타입의 스크류 또는 액츄에이터가 적절하게 사용될 수도 있다.
힘 로드(112)는 베어링(116a)에 의해 몸체(100)에 부착된다. 도시된 바와 같이 힘 로드(112)는 기계 스크류 또는 기타 적절한 수단에 의해 액츄에이터 스크류(514)의 단부에 견고하게 부착된 잠금장치(118)에 의해 결합된다. 잠금장치(118)는 공지된 여러 타입 중 하나일 수도 있다. 선택된 잠금장치의 타입에 따라 다르지만, 이는 전기 신호, 공압 입력, 또는 특정 응용에 적절한 기타 수단에 의해 제어될 수 있다. 잠금장치(118)가 작동될 때, 이는 힘 로드(112)를 확고하게 잡으며, 그 다음 힘 로드(112)는 견고한 방식으로 액츄에이터 스크류(514)에 효과적으로 부착된다. 따라서, 잠금장치(118)가 맞물릴 때, 몸체(100)는 액츄에이터 스크류(514)에 대해서 상대적으로 이동하지 못한다. 잠금장치(118)가 작동되지 않을 때, 힘 로드(112)는 잠금장치(118)내에서 미끄러지며 액츄에이터 스크류(514)의 축에 평행한 선을 따라 이동할 수 있다. 이에 따라, 잠금장치(118)가 작동된 상태에서 공압 실린더(128) 및 불균형 힘을 순간적으로 무시하면, 선형 액츄에이터(508)는 몸체(600)에 대해서 상대적으로 피봇축(102)에 대해 몸체(100)를 회전시키는데 사용될 수 있다. 또한, 잠금장치(118)의 잠금이 해제된 경우, 몸체(100)는 액츄에이터 스크류(514) 및 몸체(600)에 상대적인 충분한 외력에 대한 반작용으로 자유롭게 이동하며; 결과적으로, 몸체(600)에 상대적인 몸체(100)의 컴플라이언트 운동이 달성된다. 즉, 잠금장치(118)가 작동되지 않은 상태에서, 외력에 대해서 응답하여 몸체(600)에 상대적이고 피봇축(102)에 대한 몸체(100)의 컴플라이언트 이동이 가능하다. 컴플라이언트 이동량을 제한하기 위해서, 연장 컴플라이언스 정지부재(522) 및 수축 컴플라이언스 정지부재(524)는 힘 로드(112)에 견고하게 부착된다. 연장 컴플라이언스 정지부재(522)는 잠금장치(118)와 몸체(100) 사이에 위치된다. 수축 컴플라이언스 정지부재(524)는 잠금장치(118)와 힘 로드(112)의 사이에서, 잠금장치(118)와 반대되는 측면 상에 위치된다.
양 방향 힘 센서(120)는 힘 로드(112)에 따라 작용하는 힘을 측정하기 위해서 힘 로드(112)와 결합된다. 힘 로드(120)는 이축 로드 셀(load cell), 가능한 용이한 디바이스를 사용할 수 있다. 상기 로드 셀은 상기 측정된 힘에 따라 단조롭게 변화하는 전기 신호 출력을 제공하기 위해서 브릿지 회로에 설치될 수 있는 스트레인 게이지를 구비한다. 아날로그-디지털 변환기 및 프로세서를 이용하여, 힘 로드(112)를 따라 작용하는 힘이 자유롭게 이동하기 위해서 허용될 수 있는 최대양보다 큰지의 여부를 결정할 수 있으며; 만약, 크다면 힘의 방향이 된다. 또한, 아날로그 비교기(comparator) 회로는 상당한 불균형성 힘의 방향 및 존재를 나타내는 고/노고(go/nogo) 신호를 제공하는 공지된 방법에서 사용된다.
상술된 컴플라이언스 정지부재(522, 524)는 선형 액츄에이터(508)에 의해 몸체(600)에 상대적인 힘 로드(112)의 이송 거리를 제한하는데 사용된다. 샤프트 잠금장치(118)가 맞물려 있지 않은 상태라면, 힘 로드(112)는 몸체(100)에 작용하는 외력에 의해 두 컴플라이언스 정지부재(522, 524) 사이의 거리"C"에서 샤프트 잠금장치(118)의 폭 "L"을 뺀 값으로 규정되는 주행 범위에 걸쳐서 움직이며, 이는 몸체(100)에 대한 컴플라이언트 이동범위를 규정한다. 즉, 샤프트 잠금장치(118)가 맞물려있지 않은 상태에서(그리고 선형 액츄에이터 모터(510)가 꺼져 있을 때),몸체(100)는 컴플라이언스 힘을 극복하기에 충분한 외력에 의해, 거리 C-L 범위 내에서 힘 로드(112)의 대응하는 이동에 의해 규정된 각도의 범위 내에서 피봇축(102)에 대해서 회전한다. 도 6a 또는 8a에서, 잠금장치(118)가 힘 로드(112)에 상대적으로 이동함에 따라, 공압 실린더(128)내의 피스톤(130)도 움직일 것이다. 피스톤(130)의 가능한 총 스트로크는 피스톤(130) 및 공압 실린더(128)가 컴플라이언스 정지부재(522, 524)와 간섭되지 않도록 되는 것이 중요하다.
잠금장치(118)의 잠금이 해제되고 몸체(100)는 두 컴플라이언스 정지부재(522, 524) 중 하나 또는 다른 하나가 잠금장치(118)에 대해 지탱하는 피봇축(102) 바로 아래에 무게 중심이 있지 않도록 하는 각도로 회전되어야한다는 것을 관찰할 수 있다. 이는 몸체(100)의 중량에 의해 일어난 피봇축(102)에 대한 모멘트가 시스템내 정지 마찰력, 공압실린더(128) 및 피스톤(130)에 의해서 몸체(100)에 작용하는 힘, 그리고 시스템에 작용하는 다른 기타의 힘을 극복하기에 충분한 경우이다. 상기의 조건에서, 액츄에이터 모터(510)를 작동시키는 것은 몸체(100)를 피봇축(102)에 대해서 회전시킨다. 이는 바람직한 작동 모드일 필요는없으며; 오히려 본 발명의 바람직한 실시예의 다양한 작동 과정을 고려할 때 기억해 두어야할 상태이다.
작동시, 잠금장치(118)가 힘 로드(112)에 대한 운동의 범위에서 일부 미리 선택된 지점에 가까운 근접 범위내의 위치에서 이동되고 그 위치에서 잠겨지는 것이 바람직하다. 통상으로, 상기 지점은 두 컴플라이언스 정지부재(522, 524) 사이의 중간이나; 경우에 따라 상기 지점을 두 컴플라이언스 정지부재(522, 524) 중 하나 또는 다른 하나에 보다 가깝게 위치될 수 있다. 상기 근접범위를 "컴플라이언스-중립 영역"이라 한다. 컴플라이언스-중립 영역은 보통 총 컴플라이언스 범위의 일부분으로: 예를 들면, 40 내지 50mm의 총 컴플라이언트 범위내 ±3 또는 ±4mm이다.
도 6a 및 8a을 참조하면, 잠금장치(118)가 컴플라이언스 중립 영역 및 연장 컴플라이언스 정지부재(522) 사이에 위치될 때, 이를 "컴플라이언스-연장 영역"이라 한다. 유사하게, 잠금장치(118)가 수축 컴플라이언스 정지부재(524)와 컴플라이언스 중립 영역 사이에 위치될 때, 이를 "컴플라이언스-수축영역"이라 한다.
잠금장치(118)의 잠금을 해제시키고 컴플라이언스 중립 위치로 이동시키기 위해서 몸체(100)를 균형 상태로 되게 하는 것이 필요하다. 상기 균형은 다음의 예를 포함하는 수많은 방법 중 하나로 달성되며, 예를 들어 무게 중심을 피봇축(102) 바로 밑에 위치되도록 하는 방법 및/또는 외력을 가하는 방법이다. 그러나 다음에 기술될 바와 같이, 공압 실린더(128) 및 피스톤(130)의 목적은 제어할 수 있는 카운터 밸런싱 힘의 공급원을 제공하는 것이다.
위치 센서(612)는 잠금장치(118)에 상대적인 힘 로드(112)의 위치를 감지하기 위해서 제공된다. 상기 위치 센서(612)는 정밀 인코더, 전위차계 등에서 한계 스위치, 프록시미티 센서, 범위 파인더 등의 조합형까지의 범주안에 드는 수많은 공지된 타입 중 하나이다. 최소 용량으로, 위치 센서(612)는 기구가 다음의 세가지 영역 중 어디에 속하는지를 나타내야한다: 컴플라이언스-연장, 컴플라이언스-중립, 또는 컴플라이언스-수축.
이중 공압 실린더(128)는 모든 불균형 힘을 무력화시키는 힘을 발생시키기 위해서 제공된다. 목적은 몸체(100)에 작용하는 네트 힘 및/또는 토크를 수용 가능한 수준으로 최소화하여 몸체(600)에 상대적인 몸체(100)의 컴플라이언트 운동이 가능하도록 하는 것이다. 몸체(100)는 이같이 달성될 때 "균형 상태"에 있다고 한다. 균형 상태에 있을 때, "잔여 불균형 힘"이 전체 컴플라이언스 힘의 구성성분이 된다. 도 6a에서 이중 공압 실린더(128)는 하드웨어(624) 및 베어링(622)을 적절하게 설치함으로써 몸체(600)에 부착된다. 도 8a에서 이중 공압 실린더(128)는 브라켓을 이용하여 잠금장치(118)에 부착된다. 도6a 및 8a에서, 공압 실린더(128)는 실린더(128)의 축과 동축인 연결 로드(114)와 결합되는 피스톤(130)을 포함한다. 상기 연결 로드(114)는 공압 실린더(128)의 단부를 통과하며 몸체(100)를 향해 연장하고, 베어링(116b)의 의해 몸체(100)와 결합된다. 도 6a 및 8a는 별개의 두개의 베어링(116a, 116b)에 의해 몸체(100)에 부착된 연결 로드(114) 및 힘 로드(112)를 도시하고 있지만, 도 8b에서와 같이, 브라켓 등을 사용하여 베어링(116a, 116b)에 의해서 두개의 로드(114, 112)를 몸체(100)에 조인트 결합시키는 것을 포함하는 다른 구조가 가능하며, 그렇지 않은 경우 도 8a와 동일하게 될 것이다. 도 8(b)는 로드(114, 112)를 효율적으로 연결하는, 브라켓(800)과 함께 결합된 실린더(128) 및 잠금장치(118)를 나타낸다.
고압 공기 공급장치(602)는 공압 실린더(128)를 동작시키기 위한 공기 공급원을 제공한다. 통상적으로, 평방 인치당 80 내지 100 파운드의 공기압이 반도체 테스트 설비에서 적절하며 유용하다. 공압 실린더(128)는 두개의 공기 유입구(132, 134)를 가지며, 이 유입구는 피스톤(130)의 한 측면상에 위치되고 일반적으로 실린더(128)의 각 단부에 가까이 위치된다. 제1 공기 유입구(132)는 튜브에 의해서 제1 어큐뮬레이터(608a)와 결합되며, 제2 공기 유입구(134)는 튜브에 의해서 제2 어큐뮬레이터(608b)와 결합된다. 제1 및 제2 어큐뮬레이터(608a, 608b)는 튜브에 의해서 제1 및 제2 밸브(604a, 604b)와 결합되며, 상기 제1 및 제2 밸브(604a, 604b)는 튜브에 의해서 공기 공급원(602)과 결합된다. 제1 및 제2 밸브(604a, 604b)는 도시되지 않은, 제어기에 의해 제어된다.
또한, 상기 두개의 밸브(604a, 604b)는 공기가 실린더(128) 및 어큐뮬레이터(608a, 608b)를 빠져나가도록 하는 벤트 포트(vent port)를 각각 갖는다. 밸브(604a, 604b) 각각은 다음과 같은 세 위치 중 하나에 설치된다:
ㆍ공기가 공기 공급원(602)에서 어큐뮬레이터(608a, 608b) 및 실린더(128)안으로 흐르도록 하는 "인젝트 위치(Inject position)".
ㆍ공기가 대기로의 벤트를 통해 어큐뮬레이터(608a 또는 608b) 및 실린더(128) 밖으로 흐르도록 하는 "벤트 위치(Vent position)".
ㆍ공기가 밸브(604a 또는 604b)를 통해 어큐뮬레이터(608a 또는 608b) 및 실린더(128) 밖으로 또는 안으로 흐르는 것을 방지하는 "오프 위치(off position)".
수많은 다른 형태의 밸브(604a 및 604b)가 상업적으로 유용하다. 예를 들어, 도시된 바와 같은 단일의 독립 밸브(604a 및 604b)에 추가로, 하나의 밸브가 인젝트 위치에 있고 다른 하나가 벤트 위치에 있다면, 공기가 한 측면상에 유입될 때 공기가 피스톤(130)의 다른 한 측면에서 자동으로 배출되도록 하는 구조로 된 두 밸브를 포함하는 유닛이 있다.
상기 설명한 바와 같이, 공압 실린더(128)의 목적은, 이 경우 몸체(100)인, 부하에 작용하는 불균형 힘을 상쇄하는 힘을 발생시키는 것이다. 예를 들어, 몸체(100)는 무게 중심이 피봇축(102)으로부터 수평하게 갈라져 나온 각도로 피봇 결합되어 있다고 가정하자. 이후 몸체(100)의 무게는 무게 중심을 피봇축(102) 바로 밑에 있는 점으로 이동시키기 위한 방향으로 작용하는 피봇축(102)에 대한 토크를 발생시키는 불균형 힘이 된다. 상기 토크의 크기 및 방향은 피봇각의 크기 및 방향은 물론 무게의 함수이며, 상기 피봇각은 피봇축(102)으로부터 무게 중심의 수평 변위를 무게 중심에서 피봇축(102)까지의 최단 거리로 나눈 비율의 아크사인(arcsine)값이다. 상기 불균형은 변수이며 부하의 위치 함수이다. 공압 실린더(128)는 피스톤(130)의 두 측면상에서의 공기 압력의 차이에 따라 피스톤(130)상에서 힘을 발생시킨다. 상기 힘은 연결 로드(114)를 따라 전달되며, 연결 로드(114)의 축의 연장선에 의해 결정된 위치 및 방향으로 몸체(100)에 작용한다. 상기 장치는 상기 힘의 작용선이 대상이 되는 피봇각의 범위 전반에서 피봇축(102)과 교차되지 않도록 설치된다. 따라서, 피스톤(130)은 몸체(100)의 중량에 의해 일어난 불균형 토크와 같고 방향이 반대이며 피봇축(102)에 대한 몸체(100)에 작용하는 토크를 생성시킬 수 있으며, 이에 따라 몸체(100)는 균형 상태에 이를 것이다. 공압 장치에 의해 발생된 힘은 여기서 "카운터밸런스 힘"이라 한다.
작동 시, 밸브(604a, 604b)는 일반적으로 오프 위치에 있다. 피스톤(130)의 한 측면상에서 압력을 증가시키기 위해서, 대응하는 밸브(604a, 604b)는 인젝트 위치로 변환된다. 여기서 발생된 압력의 변화는 실린더(128)내의 현재 압력, 공기 공급장치의 압력, 밸브(604a, 604b)가 작동되는 시간의 함수이다. 피스톤(130)의 남은 측면상에서 압력을 감소시키기 위해서, 대응하는 밸브(604a, 604b)는 벤트 위치로 변환된다. 여기서 발생된 압력의 변화는 실린더(128)내 현재 압력, 밸브(604a, 604b)가 동작되는 시간의 함수이다. 이에 따라, 밸브(604a, 604b)가 작동될 수 있는 최소 시간은 주어진 초기 실린더 압력에서 달성될 수 있는 실린더(128)내 압력의 최소 증가분을 결정한다. 통상적으로, 상기 최소 시간은 8 내지 10 밀리세컨드(millisecond)이다. 상기 연결 로드(114)상에서 영향을 받을 수 있는 카운터밸런스 힘의 최소 증가분은 압력의 최소 증가분과 피스톤(130)의 면적을 곱한 값에 의해 결정된다. 구성요소 및 변수를 적절히 선택할 때, 2 파운드이하의 카운터밸런스 힘의 증가분이 얻을 수 있으며, 이는 불균형이 어느정도 무력화되는지를 결정한다.
카운터밸런스 힘이 몸체(600)에 상대적인 특정 위치에서 몸체(100)로 인해 공압 실린더(128) 및 피스톤(130)에 의해 형성되며, 몸체(100)가 몸체(600)에 대해약간 이동된다면, 피스톤(130)은 실린더(128)내에서 이동되며 상기 형성된 카운터밸런스 힘은 주어진 피스톤(130)의 측면상에서의 공기 체적에 따라 변할 것이다. 특히, 압력차는 기계적 스프링과 유사하게 피스톤(130) 변위에 따라 단조롭게 증가한다. 상기 피스톤(130)의 남은 측면상에서 가해진 공압력은 체적과는 반대로 변한다. 하지만, 공기 체적의 변동이 비교적 작은 변위에 있어서, 거의 동등한 스프링력은 동등한 "스프링 상수"K를 갖는 변위와 함께 선형적으로 변한다. 즉, F=Kx, 여기서 F는 힘의 변화이고 x는 피스톤(130) 변위의 변화이다. 힘이 이동범위 내에서 크게 변하지 않도록 K를 작게 하는 것이 바람직하다. K는 부분적으로 피스톤(130) 변위의 증가분당 압력 변화에 대한 공기의 총 체적에 의해 결정되며; 이는 V 및 dP/dx에 의한 것이며, 여기서 V는 체적이고, P는 압력이다. 피스톤(130)은 이송거리의 한 단부 근처로 가까이 이동됨에 따라, V는 작아지고, dP/dx는 기하급수적으로 커지며, 이에 따라 K는 F와 같이 증가한다. 상술된 어큐뮬레이터(608a, 608b)의 추가는 V를 상당히 증가시키고 dV/dx 및 dP/dx를 허용할 수 있는 값으로 제한하는데 사용된다. 이는 바람직한, "소프트 스프링"효과로 알려진 것이며, 또한 컴플라이언스 범위에 대해서 비교적 낮은 일정한 K 값을 제공한다.
도 6a, 8a에 도시된 장치의 구성요소를 간단하게 설명했으며, 보다 상세한 설명 및 시스템의 동작을 다음에 기술한다.
균형 상태를 달성하기 위해서, 먼저 잠금장치(118)는 몸체(100)의 이동을 방지하도록 잠겨진다. 제어기는 힘 센서(120)로부터 유도된 신호에 응답하여 카운터밸런스 힘이 몸체(100)에 인가되도록 하는 적절한 방식으로 밸브(604a, 604b)를 작동시킨다. 제어기는 힘 로드(112)에서 힘의 크기를 허용 가능한 최대 불균형함을 나타내는, 소정의 경계치 이하의 크기로 감소시키는데 충분한 크기 및 방향이 될 때까지 카운터밸런스 힘을 조절한다. 환경에 따라 다르지만, 상기 경계치는 통상 5 내지 10 파운드 이하이며; 시스템의 설계시 고려하였다면, 1 내지 2 파운드 정도로 낮다. 상기 조건이 이루어질 때, 몸체(100)는 "균형 상태"가 되며, 원래의 불균형 힘과 피스톤(130)에 의해 발생된 카운터밸런스 힘 사이의 차이를 "잔여 불균형 힘(residual imbalance force)"이라 한다.
몸체(100)가 상기의 균형 상태에 있으며 잠금장치(118)는 잠겨져 두 컴플라이언스 정지부재(522, 524) 중 하나로부터 떨어져 위치에 있다고 하자. 잠금장치(118)의 잠금이 해제된다면, 몸체(100) 및 잠금장치(118)는 모든 잔여 불균형 힘이 시스템내 정지 마찰력 보자 작다면 이동하지는 않으며, 상기 정지 마찰력은 공압 실린더(128) 및 피스톤(130)에 의한 이탈력(break-away force)의 효과를 포함한다. 상기 조건이 이루어진다면, 몸체(100)는 "전체적으로 균형이 잡혀진"상태가 된다. 하지만, 잔여 불균형 힘이 모든 정지 마찰력을 극복하는데 충분하다면, 몸체(100)는 "거의 균형이 잡혀진"상태가 된다. 몸체(100)가 거의 균형이 잡혀진 상태이고고 잠금장치(118)가 풀려진다면, 잠금장치(118)는 두 컴플라이언스 정지부재(522 또는 524) 중 하나를 향해 이동할 것이다. 잠금장치(118)가 컴플라이언스 정지부재(522 또는 524)를 지탱하는지 여부는 불균형 힘 및 카운터밸런스 힘이 위치 변화의 함수로서 어떻게 변하는지에 달려있다. 이는 전체적으로 균형이 잡혀진 상태의 조건을 달성하는 것은 거의 균형이 잡혀진 상태의 조건을 달성하는 것보다높은 정밀도를 요구하며, 따라서 시스템 비용이 보다 높다.
용어 "컴플라이언스 준비"는 몸체(100)가 균형상태에 있으며 힘 로드(112)가 컴플라이언스-중립 영역에 있는 상태를 나타내기 위해 사용된다. 일반적으로 균형 상태가 전체적으로 균형이 잡혀진 상태일 것이며, 만약 잠금장치(118)의 잠금이 해제된다면, 몸체(100)가 움직이지 않도록 하는 것이 바람직하다.
일반적인 상황에서, 초기 몸체(100)는 균형 상태가 아니며 몸체(600)에 상대적인 임의 위치에 있다. 또한, 컴플라이언스-준비 상태를 이루는 것이 바람직하다. 이러한 상태에서, 불균형 힘은 힘 로드(112) 및 힘 센서(120)에 의해 지지 및 측정된다. 잠금장치(118)의 잠금이 해제된 상태라면 그리고 불균형 힘이 상당하다면, 힘 로드(112)는 컴플라이언트 범위의 한 단부 또는 다른 단부에 있을 가능성이 크며; 그리고 불균형 힘은 컴플라이언스 정지부재(122 또는 124)를 지탱하고 있는 잠금장치(118)에 의해 힘 로드(112)로부터 액츄에이터 스크류(514)로 이송될 것이다. 그러나, 잠금장치(118)가 잠겨진 상태에 있다면, 불균형 힘은 힘 로드(112)에서 잠금장치(118)까지 그리고 다시 액츄에이터 스크류(514)까지 바로 전달될 것이다.
원하는 컴플라이언스 준비 상태를 달성시키는 몇가지 방법이 있다. 하지만, 제어 작동에 앞서, 몸체(100) 및 다른 머니퓰레이터 장치가 이후의 균형 맞춤 작동 및 컴플라이언트 범위 위치결정 작동을 방해하는 외부의 구조물을 지탱하지 않도록 주의를 기울여야 한다. 일부 예에서, 먼저 몸체(100)를 일부 적절한 위치로 이동시킬 필요가 있을 수 있다. 이런 경우, 아직 작동되지 않은 경우라면, 잠금장치(118)를 먼저 작동시키고, 이후 선형 액츄에이터(508)를 사용하여 이동시킨다. 만약 존재한다면, 다른 머니퓰레이터 축의 이동이 필요할 것이다. 상기 이동은 버튼 누름을 이용하여 선형 액츄에이터(508)를 작동하도록 제어기에 명령하는 것을 포함하는, 수동 수단에 의해 달성된다. 또한, 제어기는 자동 위치결정 과정에서 위치 피드백과 조합된 선형 액츄에이터(508)를 사용할 수 있도록 하는 적절한 알고리즘을 구비할 수 있다. 몸체(100)가 적절한 위치에 있을 때, 컴플라이언스 준비 조건을 만족시키는 데에는 몇가지 가능성이 있다. 특정 방법의 설계 및 선택은 응용대상의 특징에 따라 달라진다. 다음에 기술된 것은 각각 가능한 응용을 나타내는 두개의 접근방법이다. 두 경우 잠금장치(118)가 컴플라이언스 중립 위치에 있지 않다.
방법 1: 이 방법은 도 15b의 순서도에 도시된 바와 같이, 시스템은 균형맞춤의 결과가 항상 전체적으로 균형이 잡혀진 상태가 되도록 설계될 것을 요구하고 있다. 방법은 다음을 포함한다:
1. 잠금장치(118)가 아직 잠겨져 있지 않은 상태라면, 잠금장치를 잠그는 단계(1510).
2. 상기의 과정에 따라 몸체(100)가 균형이 맞춰지는 단계(1511).
3. 잠금장치(118)의 잠금을 해제시키는 단계(1512).
4. 잠금장치(118)를 컴플라이언스 중립 위치에 위치시키기 위해서 선형 액츄에이터(508)가 사용되는 단계(1513).
5. 잠금장치(118)를 다시 잠그는 단계(1514).
6. 단계 1513의 결과로 얻은 불균형의 변화를 수용하기 위해서 몸체(100)의 균형을 다시 맞추는 단계(1515).
7. 잠금장치(118)가 잠겨진 상태로 몸체(100)가 전체적으로 균형이 잡혀지고 및 컴플라이언스 준비 상태로 되는 단계(1516).
단계 1513는 두개의 조건이 만족되어야 한다. 첫째, 단계 1513에서 달성된 균형은 전체적으로 균형이 맞춰진 상태로 잠금장치(118)가 풀려지는 경우 몸체(100)가 고정상태로 남아있도록 할 필요가 있다. 둘째, 잠금장치(118) 및 힘 로드(112) 사이의 마찰력이 공압 실린더(128)내에서 피스톤(130)의 이탈력을 포함하는, 시스템에 잔류하는 정지 마찰력 이하일 필요가 있다.
방법2: 이 방법은 도 15c의 순서도에 도시된 바와 같이, 시스템이 균형 맞춤의 결과가 항상 전체적으로 균형이 잡힌 상태가 되도록 설계될 것을 요구하지 않는다. 균형맞춤은 전체적으로 균형이 잡혀진 상태 또는 거의 균형이 잡혀진 상태 중 하나인 것이 효과적이다. 이 방법은 다음을 포함한다:
ㆍ잠금장치(118)의 잠금을 해제시키는 단계(1520).
ㆍ위치 센서(612)로부터 유도된 피드백을 기초로 하여, 이중 공압 실린더(128)내의 공기압을 조절하기 위해서 제어기가 밸브(604a, 604b)를 작동시키도록 하여 잠금장치(118)에 대해 힘 로드(112)를 이동시키기에 바람직한 방향으로 피스톤(130)을 이동시키도록 하는 단계(1514). 이 결과 힘 로드(112)는 잠금장치(118)에 대한 바람직한 방향으로 이동한다.
ㆍ컴플라이언스 중립 위치에 도달하였을 때 단계 1521의 이동을 멈추는 단계(1522). 잠금장치(118)는 상기 이동을 멈추게 하는 브레이크로 사용될 수 있다.
ㆍ잠금장치(118)를 잠그는 단계(1523).
ㆍ상기 공정에 따라 몸체(100)가 균형이 맞춰지는 단계(1524).
ㆍ몸체(100)가 컴플라이언스 준비 상태로 되는 단계(1525), 하지만 전체적으로 균형이 잡힌 상태가 될 필요는 없다.
단계 1521 및 1522에서 피스톤(130)은 주요 이동대상이다. 특히 피스톤(130)의 이탈력을 포함하는 시스템 정지 마찰력의 측면에서, 잠금장치(118)에 대해 힘 로드(112)를 위치시키는 제어 알고리즘이 실현되기 어려울 것이다. (방법 1에서는, 선형 액츄에이터(508)가 제어되는 주요 이동대상이며, 통상적으로 시스템 정지 마찰력을 극복하는 상당한 힘을 제공한다.) 잠금장치(118)를 적용하기 전에, 몸체(100)를 원하는 위치에서 정지되도록 하는 시도가 있다면 상기의 사항이 특히 사실이다. 그러나, 적절한 잠금장치(118)는 브레이크로 사용되며, 몸체(100)가 원하는 컴플라이언스-중립 위치로 이동함에 따라 이동은 잠금장치(118)를 적용함으로써 정지될 수 있다.
테스트 헤드 머니퓰레이트 시스템에서, 두개의 가능한 작용 중 하나는 컴플라이언스 준비 위치를 달성 한 후 일어난다. 첫번째 가능성은 테스트 헤드(100)가 도킹될 준비 상태로 된다는 것이다. 이 경우, 도킹 액츄에이터 및 도킹 가이드 기구(도 6a, 8a에 도시하지 않음)가 최초 맞물리도록 약간 이동될 수 있다. 도킹 장치는 통상적으로 상기 위치에서 민감한 전기 컨택트들이 아직 맞물리지 않도록 그리고 손상될 위험이 없도록 설계된다. 상기 적은 양의 이동은 통상적으로 컴플라이언트 준비 위치를 교란시키기에는 불충분하다. 잠금장치(118)가 잠겨져 있다면, 풀려질 수 있다. 이동을 일으키기에 충분한 약간의 잔류 불균형 힘이 존재한다면, 상기 이동은 짝을 이루는 도킹 장치의 가이드 구성요소들 사이에서 접촉을 발생시킨다. 몸체(100)는 순응하여 이동할 수 있으며, 도킹 액츄에이터는 테스트 헤드(100)를 완전 도킹 위치로 끌어당기도록 맞물려질 수 있다.
두번째 가능성은 테스트 헤드(100)가 머니퓰레이터 장치(도 6a, 8a에 도시하지 않음)와 함께 현재 위치에서 새 위치로 이동된다는 것이다. 이 경우, 잠금장치(118)는 컴플라이언스-중립 위치를 지속시키도록 잠겨지며, 상기 선형 액츄에이터(508)는 몸체(100)를 원하는 제2 위치로 적절하게 이동시키는데 사용될 수 있는 것이 바람직하다. 몸체(100)가 상기와 같이 이동된다면, 아마도 몸체에 작용하는 불균형 힘이 변화할 것이다. 따라서, 몸체(100)가 상기 제2 위치에 도달할 때, 다시 균형이 맞춰져야 한다. 균형이 맞춰진 후, 몸체(100)는 컴플라이언스-준비 상태에 있게 되며, 그 이유는 몸체가 컴플라이언스-중립 위치에 잠겨진 상태로 존재하기 때문이다. 요구된다면, 이후 잠금장치(118)가 풀려질 수 있으며, 몸체(100)는 피봇축(102)에 대해 순응하여 이동된다.
이상적으로, 컴플라이언스-준비 상태를 달성하는 과정은 일단 수행되어야 하며, 그리고 일부 변화가, 예를 들면 바디(600)에 상대적인 바디(100)의 위치의 변화가, 시스템에 발생되기 전까지는 생길 때까지는 반복되지 않는다. 그러나, 공압 실린더 시스템에 공기 누설 및 이에 따르는 압력 손실이 있는 경우, 균형잡혀진 또는 컴플라이언스 준비 상태를 달성하는데 필요한 과정이 요구될 때 주기적으로 반복되어야 한다. 바람직한 실시예에서, 시스템은 필요로 하는 과정을 반복하기 전에대략 10분 이상 동안 충분한 공기를 보유한다. 통상의 작동에서 사이클은 (5 내지 8)분마다 자동으로 반복될 수 있다. 공기 누설 및 공기압 차 손실로 인해 발생하는 다른 문제를 고려하면, 테스트 헤드가 장시간동안 도킹될 때 카운트밸런싱 힘이 손실될 것이라는 것이다. 이것은 예를 들어, 수분 또는 시간동안 테스트를 계속할 때, 발생한다. 도킹되는 동안, 테스트 헤드가 도킹 기구에 의해 안정적으로 유지도고 카운터밸런스 힘이 앞서 설명한 방법에 의해서는 다시 생성될 수 없다. 따라서, 도킹을 해제시키기 위해, 잠금장치(118)는 먼저 잠겨져서 몸체(100)가 액츄에이터 스크류(514)에 대해 견고하게 정착되도록해야 한다. 그 다음, 도크 구동 기구에 의해 구동된, 도킹을 해제시키는 이동은 몸체(600, 100)사이에서 상대적 움직임이 요구되지 않도록 해야 한다. 대안으로서, 시스템은 선택적으로 압력 센서(606a, 606b)를 구비할 수 있으며, 실린더(128)의 압력은 도킹 개시 시에만 기록될 수 있다. 그리고 나서, 도킹을 해제시키기 전에, 실린더(128)의 압력이 저장되고, 이에 따라서, 적절한 카운터밸런스 힘을 저장한다. 이는 잠금장치(118)의 잠금이 해제될 수 있도록 하며, 도킹을 해제시키는 동안 몸체(100)를 컴플라언트하게 이동시킬 수 있도록 한다.
지금까지는, 피봇축(102)은 수평 평면에 위치되는 것으로 가정한 것이며, 이는 본 발명의 원리를 나타내는데 충분하다. 그러나, 피봇축(102)의 다른 방향에서도 가능하다. 고려해야할 특별한 형태로서, 몸체(100)가 테스트 헤드를 차례로 지지하는 머니퓰레이터 기둥(column)을 위한 지지구조물로 대표되는 수직 피봇축의 경우가 있다. 이 경우, 피봇축(102)은 머니퓰레이터의 스윙축에 대응한다. 불균형힘은 테스트 헤드 케이블이 굽혀짐으로써 발생된 힘으로 인해 상기 축에 존재하게 된다. 이 경우에는 존재하지 않는 앞서 설명된 중력에 의해 발생된 불균형 힘과 비교할 때, 케이블로 인한 불균형은 일반적으로 예측할 수 없는 형태로 변화할 것이다. 그럼에도 불구하고, 도 6a 또는 8a의 기구는 케이블 힘의 카운터밸런싱 및 컴플라이언스를 구비한 구동 스윙축을 효율적으로 제공하는데 사용된다. 예를 들어, 도 6b는 회전축이 수직축, 즉 스윙축인 축(102)에 가해진 도 6a에 도시된 타입의 BCAA를 나타낸다. 또한 상기 케이블 힘이 적으며 무시할 정도라면, 도 6a와 같이 이중 고압 실린더(128)를 구비하지 않은 단순화된 형태의 기구 및 관련 장치가 효율적으로 사용될 수 있을 것이다. 이에 따라, 도 7은 짝힘을 필요로 하지 않는 스윙축(102)에 대한 응용을 나타낸다. 도 7은 힘 센서(120) 및 공압 실린더(128)의 짝힘 발생 장치가 생략되어 있다는 점에서 도 6a와는 차이가 있다. 도 7은 도 5a의 컴플라이언스 기구와 유사하지만, 도 7에서는 액츄에이터 샤프트(514)가 로드(520)와 같은 로드에 의하지 않고 잠금장치(118)에 직접 연결된다는 점에서 차이가 있다.
도시한 바와 같이, 도 6a 및 8a의 BCAA들은 상당히 유사하다. 두개의 형상중 하나를 사용하기 위한 선택은 대체로 적용대상의 상세한 물리적인 배열에 따라 달라진다. 예를 들면, 도 8a는 축(102) 및 이에 따른 선형 액츄에이터(508)에서 요구되는 이동범위가 요구되는 컴플라이언트 이동범위 보다 큰 경우에 적당하다. 이것은 도 8a에서, 실린더(128) 내의 피스톤(130)의 스트로크가 컴플라이언트 운동을 수용하기에 충분할 필요가 있으며; 반면, 도 6a에서 피스톤(130)의 스트로크는축(102)의 전체 이동범위를 수용해야만 하기 때문이다. 결과적으로, 더 작고 저가인 공압 실린더(128) 및 피스톤(130) 어셈블리는 도 8a에서 사용될 수 있다. 도 6a는 BCAA의 모든 구성요소가 함께 밀착되게 위치시키지 못하게 하는 공간적 제약이 있는 상태에서 선호된다. 특히, 도 6a에서, 공압 실린더(128) 및 피스톤(130) 서브어셈블리는 액츄에이터(508), 로크(118), 힘 로드(112) 및 관련 구성요소와 센서들을 포함하는 서브어셈블리로부터 멀리 떨어져 위치될 수 있다.
도 9a는 전형적인 머니퓰레이터 시스템 적용에 사용되는 도 8a의 균형잡혀진 컴플라이언트 액츄에이터 어셈블리(Balanced-compliant actuator assembly, BCAA) 기구 두개에 대한 전형적인 적용의 예를 도시하고 있다. 도 9a에서, 하나의 기구는 테스트 헤드(100)의 요축(934)에 영향을 주며, 또 다른 기구는 같은 테스트 헤드(100)의 피치축(936)에 영향을 준다. 간결한 설명을 위해서 도시하지 아니한 단독 제어 시스템은 전체 머니퓰레이터 시스템 뿐만 아니라 두개의 BCAA에 대해서 요구되는 제어에 영향을 주기 위해서 제공된다.
도 9a에 도시된 테스트 헤드(100)는 상부면(901) 상에 테스트 인터페이스를 구비한다. DUT 기판(900)은 테스트 중의 디바이스를 테스트 헤드(100)의 내부에 위치한 테스트 헤드 핀 전자장치(미도시)와 적절히 인터페이스시키기 위해서 필요한 인터페이스 회로 및 접속장치를 구비한다.
절단된 부분은 4개의 도킹 캠(910) 중 3개, 4개의 가이드 핀(912) 중 3개, 케이블(915), 케이블 드라이버(917), 및 도킹 핸들(914)을 포함하는 도킹 어셈블리 부분이다. 개략적으로, 테스트 헤드(100)를 디바이스 핸들러(미도시), 웨이퍼 프로버 등과 같은 테스트 장치에 도킹시키기 위해서는, 가이드 핀(912)이 테스트 장치에 부착된 짝을 이루는 도킹 어셈블리(미도시) 상에 형성된 짝을 이루는 가이드 홀(미도시)에 부분적으로 삽입될 수 있도록 테스트 헤드(100)를 먼저 조정한다. 이때, 도킹 캠(910)은 짝을 이루는 도킹 어셈블리(미도시) 상에 형성된 짝을 이루는 캠 종절(미도시, follower)과 맞물린다. 케이블 드라이버(917)를 회전시키기 위한 도킹 핸들(914)을 회전시키기 위해서 외력이 가해질 수 있다. 케이블 드라이버(917)가 회전함에 따라, 회전운동은 케이블(915)에 의해서 도킹 캠(910)에 전달되어 동시에 회전시키며, 회전에 의해서 테스트 헤드(100)를 최종 도킹 위치로 끌어당기게 된다. 도킹 핸들(914), 케이블 드라이버(917) 및 도킹 캠(910)이 테스트 헤드(100)를 끌어당길 때, 테스트 헤드(100)는 바람직하게는 6자유도로 이동할 수 있다. 이러한 도크는 후술할 도 12a 내지 도 12d에 보다 자세히 도시하였다. 또한, 이러한 도크는 참고자료인 스미스에 의한 미국 특허 제4,489,815호에 설명된 도크를 확대한 것이며, 미국 특허 제4,489,815호에는 2개의 가이드 핀(912) 및 캠(910)을 사용한다. 이러한 형태의 다른 도크는 3개의 가이드 핀(912) 및 캠(910)을 사용한다. 더 많은 정보는 인테스트 핸드북(inTEST Handbook)에 기재되어 있다.
테스트 헤드(100)는 예를 들어 홀트에 의한 미국 특허 제5,030,869호 및 제5,450,766호, 그리고 인테스트 핸드북에 설명된 것과 같이 테스트 헤드 머니퓰레이터(미도시)의 케이블 피봇 링(924)에 설치된다. 도 9a는 상기 케이블 피봇 링(924)에 부착된 테스트 헤드 마운트(926)를 나타내고 있으며, 테스트 헤드 지지 빔(922)의 제1 단부는 상기 테스트 헤드 마운트(926)에 부착된다. 상기 테스트 헤드지지 빔(922)의 축은 케이블 피봇 링(924)의 평면에 수직하며, 축의 연장부는 케이블 피봇 링(924)의 중심을 통과한다. 테스트 헤드 지지 빔(922)은 테스트 헤드(100)의 후방 내의 홀(920)을 통해서 연장하며, 원형 베어링 어셈블리(905)의 외측 링(904)에 고정 부착된다. 내측 링(902)은 원형 베어링 어셈블리(905)의 내측에 배열되며 외측 링(904)에 의해서 지지된다. 내측 및 외측 링(902, 904)은 각각 원형이며, 동일 평면상에 있으며, 동일한 중심을 가진다. 요축(934)은 2개의 링(902, 904)의 평면에 수직하며, 그들의 공통 중심을 통과한다. 내측 링(902)은 요축(934)에 대해서 외측 링(904)의 내부에서 회전한다. 2개의 연결 샤프트(906)는 외측 링(904)의 슬롯을 통과하며, 테스트 헤드 지지 빔(922)에 평행한 수직 평면에 도시된 테스트 헤드(100)의 양 측에 고정된 베어링 블록(908)에 내측 링(902)을 연결시킨다. 상기 베어링 블록(908)은 테스트 헤드(100)를 피치 축(936)에 대해서 피봇지지할 수 있다. 피치 축(936)은 연결 샤프트(906)에 의해서 규정된다.
6개의 캠 종절(미도시)은 적은 마찰력을 가지는 요 운동시 내측 링(902)에 의해서 외측 링(904) 상에 가해진 부하를 이겨내기 위한 지지 디바이스로 사용된다. 캠 종절(미도시) 중 3개는 요축(934)에 수직한 방향인 반경방향 로드를 이겨내기 위해서 외측 링(904)의 내측 원주에 120도 간격으로 배치된다. 캠 종절(미도시)의 다른 3개 또한 요축(934)에 평행한 축방향 부하를 지지하기 위해서 외측 링(904)의 내부 상기 3개의 캠 종절들 사이에 일정한 간격으로 배치된다,
요약하면, 케이블 피봇 링(924)은 테스트 헤드 마운트(926)를 지지한다. 테스트 헤드 마운트(926)는 롤축을 규정하는 테스트 헤드 지지 빔(922)을 지지한다.테스트 헤드 지지 빔(922)은 내측 링(902)을 번갈아 지지하는 외측 링(904)을 지지한다. 내측 링(902)은 요축(934)을 제공하며 연결 샤프트(906)를 지지한다. 연결 샤프트(906)는 테스트 헤드(100)를 지지하며 피치 축(936)을 제공한다. 이러한 배열로 인해 테스트 헤드(100)는 피치 축(936)(수평하게 도시됨)에 대해서 ±5도 회전할 수 있으며, 요축(934)(수직하게 도시됨)에 대해서 ±5도 회전할 수 있다. 여기서 요 및 피치 축은 서로 직교하며, 테스트 헤드 지지 빔(922)에 대해서 서로 직교한다. 피치 및 요 운동의 범위는 간결한 설명을 위해서 도 9a에 도시하지 않은 시스템에 형성된 물리적인 구속 및 기계적인 제한에 의해서 ±5도로 제한된다. 더욱이, 피치 축(936) 및 요축(934)에 대한 테스트 헤드(100)의 상대적인 위치를 감지하고 제어 시스템에 상대적인 위치를 제공하기 위해서 위치 센서(미도시)를 포함할 수 있다.
케이블 피봇 링(924)은 대체로 지지 빔(922)에 의해서 규정되는 축에 대해서 테스트 헤드(100)에 ±95도의 롤 운동을 제공한다. 테스트 인터페이스 면이 상방으로 향하는 도 9a에서, 테스트 헤드(100)는 약 +90도 위치에 도시된다. 테스트 헤드 케이블의 요소들은 케이블 피봇 링(924) 및 테스트 헤드 마운트(926)의 개구부(918)를 통과하며, 테스트 헤드 지지 빔(922)을 따라 배열되며, 그리고 지지 샤프트 개구부(920)를 통해 테스트 헤드(100)로 들어간다. 지지 빔(922)에 부착된 웨브(918)는 케이블 구성요소들이 테스트 헤드(100) 내부의 여러 가지 전자 부품(미도시)까지 펼쳐져 연결되기 전에 케이블 구성요소들에 대해서 지지력을 제공하고 응력을 경감시킨다.
만약 모든 회전축이 무게 중심을 통과할 필요 없이 균형이 잡힌 컴플라이언트 운동을 제공할 수 있다면 바람직하다. 도 9a에서, 도 8a에 도시되고 상기 설명한 것과 동일한 형태의 두개의 균형이 잡힌 컴플라이언트 액츄에이터 어셈블리(930, 932)는, 균형이 잡힌 컴플라이언트 운동을 위해 피치축(936) 및 요축(934)이 무게 중심을 통과해야 한다는 요구조건을 제거하기 위해서 사용된다.
두개의 BCAA(930, 932)는 힘 로드(112) 및 연결 로드(114)가 테스트 헤드 지지 빔(922)에 의해서 규정되는 롤축에 대체로 평행하도록 배열된다. 요 BCAA(930)는 힘 로드(112) 또는 연결 로드(114) 중 하나를 따라 작용하는 힘이 요축(934)에 대해서 영이 아닌 모멘트를 발생시키도록 방향지워진다. 이와 유사하게 피치 BCAA(932)는 힘 로드(112) 또는 연결 로드(114) 중 하나를 따라 작용하는 힘이 피치축(936)에 대해서 영이 아닌 모멘트를 발생시키도록 방향지워진다. 두개의 BCAA(930, 932)들의 선형 액츄에이터(508)의 고정부재(506)는 테스트 헤드 마운트(926)에 베어링(620)에 의해 부착된다.
두개의 BCAA(930, 932)들이 서로 최소의 상호작용을 가지고 작동할 수 있도록 하는 것이 중요하다. 따라서, 힘 로드(112) 및 연결 로드(114)가 피치축(936)과 거의 교차하는 선을 따라 작용하도록 요 BCAA(930)를 위치시키는 것이 바람직하다. 이와 유사하게 힘 로드(112)와 연결 로드(114)가 요축(934)과 거의 교차하는 선을 따라 작용하도록 피치 BCAA(932)를 위치시키는 것이 바람직하다. 그러나, 도 9a에 도시된 바와 같이, 두개의 힘 로드(11) 및 두개의 연결 로드(114)는 테스트 헤드(100)에 각각 베어링(116a, 116b)에 의해서 개별적으로 부착된다. 따라서, 요BCAA(930)의 힘 로드(112)의 연장축 및 연결 로드(114)의 연장축 모두는 피치축(936)과 교차할 수 없다. 실제로, 두개의 로드(112, 114)는 대체로 서로 가깝게 위치하며, 두개의 로드(112, 114) 사이의 거의 중간에서 평행한 선이 피치축(936)과 교차한다. 이와 유사하게 피치 BCAA(932)의 힘 로드(112)의 연장축 및 연결 로드(114)의 연장축 모두는 요축(934)과 교차할 수 없다. 실제로, 두개의 로드(112, 114)는 대체로 서로 가깝게 위치하며, 두개의 로드(112, 114) 사이의 거의 중간에서 평행한 선이 요축(934)과 교차한다. 상기 도 8a 및 도 8b를 참고로 상술한 BCAA의 다른 구조에서는, 테스트 헤드(100)에서 힘 로드(112) 및 연결 로드(114)의 단부는 적절한 브라켓(800)과 함께 결합될 수 있다. 또한, 도 8b를 참고로 상술한 바와 같이 테스트 헤드(100)에 결합되는 브라켓(116a, 116b)은 함께 연결되며, 하나의 베어링(116b)이 테스트 헤드(100)에 접속될 필요가 있다. 이 경우, 베어링(116b)은 문제의 축을 교차하며 힘 로드(112) 및 연결 로드(114) 모두와 평행한 선상에 위치될 수 있다. 도 9b는 그러한 하나의 베어링(116b)이 형성된 시스템이다. 도 9b는 도 9a와 다른 것에 있어서는 동일하다.
이하 도 9a 및 도 9b에서 나타낸 시스템의 작용을 설명한다. 일반적인 상태에서, 테스트 헤드(100)는 최초에는 두개의 BCAA(930, 932)의 잠금장치(118)들이 풀려진 불균형 상태이며 임의의 위치에 있을 것이다. 최악의 경우에는, 테스트 헤드(100)는 시스템에 형성된 물리적 구속 및 기계적인 제한이 작용하고 있을 것이다. 즉, 피치축(936) 및 요축(934)에서 운동을 제한하는 위치에서 테스트 헤드(100)를 유지시키는 상당한 불균형 힘이 존재하며, 상기 불균형 힘은 두개의BCAA(930, 932)의 어떠한 구성들에 의해서도 완전히 지지되지 않는다. 제1 목적은 요축(934) 및 피치축(936) 모두에 대해서 컴플라이언트 준비 상태(즉, 균형 상태 및 컴플라이언스 중립 상태)로 테스트 헤드(100)를 위치시키는 것이다. 두개의 BCAA(930, 932)들의 잠금장치(118)를 잠근다. 이후, 액츄에이터(508)를 사용하여 테스트 헤드(100)를 바람직한 제1 위치로 위치시킨다. 상기 제1 위치는 시스템에 형성된 물리적 구속이나 기계적인 구속으로부터 멀리 떨어진 위치로 두개의 BCAA(930, 932) 중 하나 또는 모두의 잠금장치(118) 및 선형 액츄에이터(508)에 의해서 불균형 힘이 완전히 지지되는 위치이다. 또한, 상기 바람직한 제1 위치는 시스템에 형성될 수 있는 물리적 구속 및 기계적인 제한 어떤 것으로부터의 간섭없이 컴플라이언트 준비 상태를 이룰 수 있도록 하는 컴플라이언트 범위 사이를 테스트 헤드(100)가 충분히 이동될 수 있어야 한다.
수동 수단에 의해서 테스트 헤드(100)를 바람직한 위치로 이동시킬 수 있으며, 수동 수단은 선형 액츄에이터(508)를 작동시키기 위해서 제어기에 명령하는 누름 버튼을 사용할 수 있다. 또 다른 방법으로 제어기는 자동 위치조정 과정에서 위치 피드백과 결합된 선형 액츄에이터(508)를 사용할 수 있도록 하는 알고리즘을 구비할 수 있다.
컴플라이언트 준비 상태는 바람직한 위치에 있는 테스트 헤드(100)에 의해 이루어질 수 있다. 바람직한 위치에서, 불균형 힘은 2개의 BCAA(930, 932) 사이에 분배된다. 즉, 불균형 힘은 두개의 성분으로 분리되며, 하나의 성분은 요 BCAA 힘 로드(112)를 따라 작용하며, 다른 하나의 성분은 피치 BCAA 힘 로드(112)를 따라작용한다. 축들은 연속적으로 번갈아 작용할 수 있다. 하나의 축을 컴플라이언트 준비상태로 만듦으로써 또 다른 축에 미리 형성된 상태가 흐트러질 수 있기 때문에, 각각의 축을 번갈아 연속적으로 다시 작동시켜 양자가 동시에 균형을 유지하며 위치되는 것을 만족시킬 수 있다. 종래 기술을 사용하여, 모든 컴플라이언스 준비 상태를 만족할 때까지 각 축을 연속적으로 작동시키는 과정을 자동화하기 위해서 제어 알고리즘을 사용할 수 있다. 그러나, 실제적으로, 축당 보통 두 번의 작동으로 충분하다.
어느 축을 먼저 작동시킬 것인가의 선택은 많은 기준에 의해서 정해질 수 있다. 경우에 따라, 하나의 축을 항상 먼저 선택하는 것이 바람직할 수 있다. 또한 다른 경우에는 임의로 축을 선택하는 것이 바람직할 수 있다. 또 다른 경우에는 각각의 BCAA들에 작용하는 힘을 비교하여 먼저 작동될 축을 선택하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 불균형 힘의 가장 큰 성분이 작용하는 BCAA를 먼저 작동시키는 것이 바람직할 수 있다. 따라서, 2개의 힘 센서(120)의 출력을 비교하여, 가장 큰 불균형 힘의 성분을 가지는 축이 먼저 선택된다. 이와 유사하게 가장 작은 불균형 힘의 성분을 가지는 축이 선택될 수 있다. 상기 각각의 경우, 만약 불균형 힘의 두개의 성분이 거의 비슷하다면, 축들 중 하나 또는 다른 하나가 임의로 선택된다.
이하, 먼저 작동되도록 선택된 축을 제1 축이라 하고, 다른 축을 제2 축이라 한다. 제1 축은 상기 설명한 접근방법 1(도 15b) 또는 접근방법 2(도 15b) 중의 하나와 같은 다음의 과정에 의해서 컴플라이언트 준비 상태에 이르게 된다. 이러한 과정동안, 제2 축의 BCAA(930 또는 932)의 잠금장치(118)는 잠겨진 상태로 유지된다. 제1 축이 컴플라이언트 준비 상태로 될 때, 제1 축의 BCAA(930 또는 932)의 잠금장치(118)는 잠겨지며; 그리고 나서, 제2 축이 컴플라이언트 준비 상태에 이르게 된다. 제2축을 컴플라이언트 준비 상태로 이르게 할 때, 제1 축에 형성된 균형은 약간 흐트러질 수 있다. 따라서, 제1 축을 컴플라이언트 준비 상태로 이르게 하는 과정이 반복될 수 있다. 이와 마찬가지로, 제2 축을 컴플라이언트 준비 상태로 이르게 하는 과정 또한 반복될 수 있다. 대체로 두번의 반복은 항상 양 축이 동시에 합리적인 정도의 컴플라이언트 준비상태를 이루기에 충분하다.
도 9a에 도시된 것과 같이 2개의 BCAA(930, 932)를 구비하는 테스트 헤드 머니퓰레이터의 전체 작동을 생각해 보자. 어떤 테스트 장치와도 도킹되지 않은 임의의 위치에서 테스트 헤드(100)의 시동을 걸 경우, BCAA를 구비한 축(934, 936)은 먼저 잠금장치(118)가 잠겨진 상태로 동시에 컴플라이언트 준비 상태에 이르게 된다. 이후, 테스트 헤드(100)는 BCAA 선형 액츄에이터(508)를 적절히 사용하여 도킹 준비 위치로 조종될 수 있다. 즉, 테스트 헤드(100)가 함께 잠겨질 테스트 장치에 근접한 위치로 조종되며, 도킹 장치의 짝을 이루는 구성요소들은 맞물림 위치까지 근접하게 된다. 도 9a의 도킹 기구에서, 가이드 핀(912)이 짝을 이루는 홀(미도시)과 인접하게 위치하는 지점이 이에 해당하며, 하지만 짝을 이루는 홀(미도시) 속으로 삽입되지는 않는다. 테스트 헤드(100)는 새로운 방향을 가질 것이므로, 더 이상 균형이 잡혀진 컴플라이언트 상태가 아닐 것이다. 따라서, BCAA(934 및 936)을 구비한 축들은 동시에 컴플라이언트 준비 상태로 동시에 이르게 된다. BCAA 잠금장치(118)가 풀려지고, 테스트 헤드(100)는 도킹 작동 기구가 맞물릴 수 있도록 조종된다. 도 9a의 테스트 헤드(100)에서, 이것은 가이드 핀(912)이 가이드 홀(미도시)에 삽입될 때, 그리고 도킹 핸들(914)을 작동시키기 위해서 짝을 이루는 도킹 어셈블리(미도시) 상의 캠 종절이 도킹 캠(910)에 충분히 삽입될 때 발생한다. 도크 작동 기구가 작동되며, 테스트 헤드(100)는 완전히 도킹될 위치로 당겨진다. 도 9a에서, 이는 도킹 핸들(914)을 회전시킴으로써 행할 수 있다. 전기적으로, 공압으로 및 진공으로 작동되는 형태를 포함하는 다른 도크 작동 기구들은 이미 알려져 있으며, 사용될 수 있다. 도킹 동안, 테스트 헤드(100)는 필요에 따라 자유롭게 이동될 수 있다. 테스트 헤드(100)는 당분간 도킹된 상태를 유지하며, 누설에 기인한 공압실린더(128)에서의 공기 압력의 차이가 손실이 될 수 있다. 따라서, 도킹 해제시, 잠금장치(118)는 계속 잠겨져 있으며, 테스트 헤드(100)는 테스트 인터페이스면(미도시)과 수직한 직선 경로를 따라 후퇴되며, 완전한 컴플라이언트 운동은 불필요하다. 다른 방법으로는, 시스템이 압력센서(606a, 606b)를 구비하여, 도킹에 앞서 컴플라이언트 준비상태가 완성될 때 피스톤(130)의 각 측면에 작용하는 압력을 제어기에 의해서 기록할 수 있도록 한다. 그리고 나서 제어기는 이 정보를 도킹 해제에 앞서 컴플라이언트 준비 상태를 저장하기 위해서 사용하며, 도킹 해제는 컴플라이언트 운동에 의해 행해진다. 테스트 헤드(100)가 도킹 해제되면, BCAA에서 제어되는 축(934, 936)들은 요청에 따라 다시 컴플라이언트 준비 상태로 이르게 할 수 있다.
도 10a, 10b, 10c, 10d, 10e 및 10f는 수직축에 대한 본 발명의 다양한 실시예를 도시하고 있다.
도 10d 및 도 10e는 유사하다. 양자는 모두 고정된 수직 기둥(1000)을 구비하며, 액츄에이터에 의해 구동되는 수직축은 기둥(1000)에 의해서 규정된다. 도 10d에서 도 8a에 도시된 형태의 BCAA가 균형 및 컴플라이언스를 제공하기 위해서 사용되며; 반면 도 6a에 도시된 형태의 BCAA가 같은 목적으로 도 10e에서 사용된다. 후술하는 설명은 대체로 상기 두개의 형상을 관한 것이다. BCAA의 형태에 기초한 특별한 차이에 대해서는 필요한 곳에서 설명한다.
도 10d 및 도 10e를 참고하면, 메인 암(1030)은 레일(1058)과 선형 가이드 베어링(미도시) 또는 원형 샤프트(미도시)와 베어링(미도시)을 사용하여 일반적인 방법에 의해 기둥(1000)에 미끄러지도록 부착된다. 테스트 헤드(미도시)는 종래의 수단(미도시)에 의해서 메인 암(1030)과 결합한다. 따라서 메인 암(1030)은 부하를 지지하게 된다. 메인 암(1030)의 수직운동은 상부 정지부재(1032)에 의해서 제한된다.
액츄에이터 모두(510a)를 구비한 선형 액츄에이터(508a)의 고정부재(506a)는 베이스 플레이트(1003)에 부착된다. 이하 상기 액츄에이터(508a)를 메인 선형 액츄에이터(508a)라 한다. 메인 선형 액츄에이터(508a)의 구동 요소(514a)는 후방으로 이동되지 않도록 하는 스크류이며, 특히 볼 스크류 또는 적절한 피치와 마찰력을 가지는 애크미(acme) 스크류이다. 메인 선형 액츄에이터(508a)는 작동여부와 관계없이 전체 부하를 안전하게 지지하여야 한다. 메인 선형 액츄에이터(508a)는 메인 암(1030)을 전체 수직 범위에 걸쳐서 구동시키며, 따라서 메인 액츄에이터(508a)의 스트로크는 머니퓰레이터의 수직 스트로크와 같다. 실제로, 30 인치까지의 스트로크를 가지는 적당한 액츄에이터(508a)는 상업적으로 유용하며, 이러한 형태의 머니퓰레이터는 30 인치까지의 수직 스트로크를 가지도록 설계될 수 있다. 더 긴 스트로크는 도 10a, 도 10b, 및 도 10c에 도시된 것과 같이 접철식 기둥을 사용함으로써 가능하다.
지지 브라켓(1040)은 메인 액츄에이터 스크류(514a)의 단부에 부착된다. 도 6a(도 10e와 같다) 또는 도 8a(도 10d와 같다.)에 도시된 형태의 BCAA는 메인 암(1030)을 지지 브라켓(1040)에 결합시킨다. BCAA는 힘 로드(112)에 대해서 잠금장치(118)를 정확하게 위치시키기 위한 BCAA 액츄에이터(508b)를 구비한다. 메인 액츄에이터(508a)의 작동은 지지 브라켓(1040)의 수직 운동을 발생시키고, 이는 메인 암(1030)의 수직 운동 및 부하를 발생시킨다. 메인 암(1030)의 무게 및 부하는 BCAA 기구를 통해서 지지 브라켓(1040) 및 액츄에이터 스크류(514a)에 전달된다.
정상적인 사용상태에서, 먼저 메인 암(1030)은 잠금장치(118)가 풀려진 상태에서 컴플라이언트 준비 상태에 놓여질 것이다. 즉 잠금장치(118)는 힘 로드(112)에 대해서 컴플라이언트 중립 위치에 놓여지며, 연결로드(114) 및 피스톤(130)이 실질적으로 전체 부하를 견뎌낼 수 있도록 공압 실린더(128) 내의 공기압력이 조절될 것이다. 이 경우, 힘 센서(120)에 의해서 측정된 힘은 거의 영(zero)이다. 또한 피스톤(130)은 실린더(128)에 대해서 컴플라이언트 중립 위치에 있어, 피스톤(130)이 스트로크의 단부에 이르게 하지 않고 부하가 전체 컴플라이언트 범위에 걸쳐서 이동할 수 있도록 한다. 그리고 나서, 메인 선형 액츄에이터(508a)는 부하를 수직하게 위치시키는데 사용된다.
수직축의 경우에서, 불균형의 방향은 항상 하부를 향한다. 따라서, 양방향 작용 공압 실린더(도 6a 및 도 8a의 일반적인 경우에 도시되어 있음)가 필요하지 않으며; 하나의 공기 유입구(132)를 구비한 일방향 작용 실린더(128)로 충분하다. 따라서, 하나의 3 위치 밸브(604), 하나의 축압기(608), 및 하나의 압력 센서(선택사항)(606)가 존재하며, 이들은 탄력성이 있는 튜브(1010)에 의해서 고압 공기 공급장치(602)에 연결된다. 탄력성이 있는 튜브(1010)는 공기 공급장치(602)에 대해서 공압실린더(128) 및 관련된 요소들을 이동시키며, 대체로 정지상태이다. 실린더(128) 및 피스톤(130)의 직경은 메인 암(1030) 및 메인 암에 부착된 부하를 지지하기에 적당한 것이 바람직하다. 예를 들면, 만약 메인 암(1030) 및 부착된 부하를 합한 무게가 1000 파운드라면, 실린더(128)로 삽입될 수 있는 최고 공기압력이 평방 인치당 1000 파운드이고, 따라서 실린더(128) 및 피스톤(130)의 면적은 적어도 10 평방 인치인 것이 바람직하며, 직경은 적어도 약 3.57 인치인 것이 바람직하다. 요구되는 실린더(128)의 직경은 부하의 제곱근에 비례한다. 따라서, 부하를 두배로 하면 실린더(128)의 직경은 2의 제곱근만큼 증가하거나, 또는 공기 압력이 두 배로 될 수 있다. 만약, 주어진 부하에 비해 요구된 실린더(130) 크기가 너무 크게 되면, 두개 이상의 실린더(128)를 평행하게 배열할 수 있다.
대략 ±1 인치의 수직 컴플라이언트 운동을 가지는 것이 대체로 바람직하다. 피스톤(130)의 스트로크는 컴플라이언스 정지부재(522, 524)에 의해서 결정된 컴플라이언트 범위 보다 다소 큰 것이 바람직하며, 이에 따라 잠금장치(118)가 컴플라이언스 정지부재를 지탱하고 있는 상태일지라고 피스톤(130)은 바닥에 닿지 않도록한다. 만약, 잠금장치(118)가 연장 컴플라이언스 정지부재(522)와 수축 컴플라이언스 정지부재(524)에 대해서 컴플라이언트 중립 위치에 있다면, 피스톤(130)이 실린더(128)에 상대적으로 컴플라이언트 중립 위치에 있도록 시스템이 설계되는 것이 바람직하다. 이에 따라, 부하는 도킹하는 동안 컴플라이언스 정지부재(522, 524)에 의해서 규정되는 전체 컴플라이언트 범위에서 움직일 수 있다.
도 10d에서, 실린더(128) 및 잠금장치(118)는 브라켓(1052)에 의해서 서로 고정 부착되어 있으며, 시스템은 잠금장치(118)가 컴플라이언트 중립 위치에 있을 때에 피스톤(130) 또한 컴플라이언트 중립 위치에 있도록 쉽게 배열될 수 있다. 예를 들어, 바람직한 컴플라이언트 중립 위치는 종종 중심위치이며; 시스템은 잠금장치(118)가 컴플라이언스 정지부재들(552, 524) 사이 중심에 있을 때 피스톤(130)은 스트로크의 중심에 있도록 배열된다. 도 10d에 도시된 단독의 위치 센서(1046)는 잠금장치(118) 및 피스톤(130) 모두를 각각의 컴플라이언트 중립 위치로 적절히 위치시킨다.
도 10e에서, 잠금장치(118)는 실린더(128)에 부착되어 있지 않으며, 잠금장치(118)는 실린더(128)에 상대적으로 움직일 수 있으며, 그리고 움직인다. 잠금장치(118) 및 피스톤(130) 모두를 컴플라이언트 중립 위치로 위치시키기 위한 목적을 달성하기 위해서, 위치 센서(1046)에 의해서 제공되는 정보가 부가적으로 필요하다. 피스톤(130) 또는 BCAA 액츄에이터(508b) 중 하나에 관한 위치 정보로 충분하다. 바람직한 실시예에서, 시스템은 만약 BCAA 액츄에이터(508b)가 완전히 연장되고 잠금장치(118)가 컴플라이언트 중립 위치에 있다면, 피스톤(130) 역시 컴플라이언트 중립 위치에 있도록 설계된다. BCAA 액츄에이터(508b)가 완전히 연장된 상태인 것을 감지하는 것은 구입된 BCAA 액츄에이터(508b) 어셈블리에 포함된 한계 스위치(미도시)를 사용하거나, BCAA 액츄에이터(508b)를 이송 단부 및 멈춤 상태까지 도달하도록 충분한 시간동안 작동시킴으로써 행해질 수 있다. 후자의 경우 BCAA 액츄에이터 모터(510b)에 전류 한계 전압 공급을 사용하는 것은 과열을 최소화한다. 다른 방법으로는 실린더(128)에 대한 피스톤(130)의 위치를 감지하는 것이다. 종종 공압 실린더-피스톤 어셈블리는 감지할 수 있는 한계 스위치(미도시)가 제조시 장착되어 있다.
경우에 따라서, 피스톤(130)이 이송 범위 중 임의의 지점에 있는 경우 BCAA 액츄에이터(508b)가 컴플라이언스 정지부재(522, 524)에 의해서 규정되는 전체 컴플라이언트 범위에 걸쳐서 잠금장치(118)를 위치시킬 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 이러한 경우, 도 10e의 BCAA 액츄에이터(508b)의 범위는 적어도 컴플라이언트 범위에 피스톤(130)의 스트로크를 더한 값을 가진다. 또한, 도 10e에서, 컴플라이언트 준비 상태에 있는 피스톤(130)의 위치를 직접 감지하는 것이 필요할 것이다. 비교해보면, 도 10d의 BCAA 액츄에이터(508b)에 필요로 하는 범위는 컴플라이언트 범위 또는 피스톤(130)의 스트로크 보다 적어도 더 크며, 도시된 단독의 위치 센서(1046)로 충분하다.
컴플라이언트 준비 상태를 달성하기 위한 작동 과정을 살펴보면 다음과 같다.
먼저, "균형 과정(Balance Sequence)"을 정의한다.
균형과정(도 15d참조)
1. 잠금장치(118)를 잠그는 단계(1530)
2. 힘 로드(112)에 의해 잠금장치(118)에 가해지는 힘이 경계치 보다 작다는 것을 힘 센서(120)가 가리킬 때까지 실린더(128)의 공기압력을 조절하는 단계(1531)
컴플라이언트 준비 상태("컴플라이언트 준비 과정 1")를 달성하기 위해서는
컴플라이언트 준비 과정 1(도 15e 참조)(도 10d 및 도 10e에 적용할 수 있다.)
1. 균형 과정을 수행하는 단계(1540)
2. 잠금장치(118)의 잠금을 해제시키는 단계(1541)
3. BCAA 액츄에이터(508b)를 사용하여 잠금장치(118)를 컴플라이언트 중립 위치로 위치시키는 단계(1542a)
4. 시스템이 도 10e에 도시한 형태인 경우, 잠금장치(118)를 잠그며(단계 1542b) 그리고 나서, BCAA 액츄에이터(508b)를 사용하여 피스톤(130)을 컴플라이언트 중립 위치로 위치시키는 단계(1542c)
5. 균형이 잡혀져 있지 않다고 힘 센서(120)가 감지한 경우(즉, 측정된 힘이 경계치 보다 큰 경우) 균형 과정을 반복하는 단계(1543)
6. 잠금장치(118)가 잠겨진 경우, 잠금장치(118)의 잠금을 해제시키는 단계(1544)
컴플라이언트 준비 과정 1에서, 균형을 위한 경계치 힘은 정지 마찰력과 공압 피스톤의 이탈력(break away force)의 합성력 보다 작은 것이 바람직하다. 그렇지 않은 경우, 단계(1541)에서 잠금장치(118)가 잠금이 해제되었을 때 잠금장치(118)는 이동하여 컴플라이언스 정지부재(522 또는 524)를 지탱하게 될 것이며, BCAA 액츄에이터(508b)가 작동하더라도 잠금장치(118)는 힘 로드(112)에 대해서 이동하지 않을 것이다. 하지만, 정지 마찰력과 공압 피스톤의 이탈력의 합성력은 대체로 5 내지 10 또는 그 이상의 파운드이며, 1 내지 3 파운드 내에서 균형을 잡을 수 있다.
후술하는 이유로 인해, 시스템은 상기 설명한 기준값에 부합되도록 설계되는 것이 바람직하다. 하지만, 상기 기준값을 만족하는 것이 불가능하며 실제적이지 않은 경우, 컴플라이언트 준비 상태를 달성할 수 있는 다른 방법이 있다. 두가지 방법을 이하 설명한다.
첫 번째 방법은 다음("컴플라이언트 준비 과정 2")과 같은 일련의 작동에 의해 잠금장치(118)를 위치시키기 위해서 공압 실린더(128) 및 피스톤(130)을 사용하는 것이다.
컴플라이언트 준비 과정 2(도 15f 참조)(도 10d 및 도 10e에 적용할 수 있다.)
1. 잠금장치(118)의 잠금을 해제시키는 단계(1550)
2. 실린더(130)로부터 공기를 유출시켜 연장 컴플라이언트 정지부재(522)가 잠금장치(118)를 지탱하도록 하는 단계(1551)
3. BCAA 액츄에이터(508b)를 스트로크의 중심 근처 또는 바람직한 컴플라이언트 중립 위치 근처에 있도록 조절하는 단계(1552)(이 단계에서는 액추에이터(508b)의 고정부재(506b)에 대한 액츄에이터(508b)의 구동부재(514b)의 상대적인 위치를 감지하기 위해서 종래의 위치 센서(1046)를 사용한다. 경우에 따라 액츄에이터(508b)는 구동부재(514b)가 이송의 끝단에 도달할 경우를 감지하는 한계 스위치를 구비하며; 이들은 바람직한 결과를 얻기 위해서 종래의 타이머와 함께 사용된다.)
4. 실린더(128)에 공기를 주입하여 피스톤(130)이 이탈하여 상방으로 이동하는 지점까지 실린더 공기 압력을 증가시키는 단계(1553)
5. 잠금장치(118)에 대한 힘 로드(112)의 상대적인 위치를 도시된 위치 센서(1046)에 의해서 감시하는 동안, 피스톤(130), 그리고 연결로드(114) 및 힘 로드(112)를 계속 이동시키기 위해서 실린더(128)의 공기 압력을 계속 조절하는 단계(1554)
6. 힘 로드(112)가 잠금장치(118)에 대해서 컴플라이언트 중립 위치에 도달한 경우, 잠금장치(118)를 잠그고 실린더(128)의 공기 압력 조절을 정지시키는 단계(1555a)
7. 만약 시스템이 도 10e에 도시된 형태라면, BCAA 액츄에이터(508b)를 사용하여 피스톤(130)을 컴플라이언트 중립 위치로 위치시키는 단계(1555b)
8. 균형 과정을 수행하는 단계(1556)
두 번째 방법은 설계를 약간 변경시키는 것이다. 피스톤(130)이 바닥에 닿는 것을 피하기 위해서 앞서 설명한 것과는 정반대로, 시스템은 실린더(128) 내부에공기 압력이 없고 잠금장치(118)의 잠금이 해제된 경우 피스톤(130)이 실린더(128)의 하부단부를 지탱하도록 배열된다. 실린더(128)의 바닥을 피스톤(130)이 누름으로써, 연장 컴플라이언스 정지부재(522)의 작용을 수행하고, 따라서, 연장 컴플라이언스 정지부재(522)는 시스템에서 생략될 수 있다.(만약, 피스톤(130)이 정지부재로서 실린더(128)의 상부를 누르도록 할 수 있다면 수축 컴플라이언스 정지부재(524) 또한 생략될 수 있다.) 다음은 "컴플라이언트 준비 과정 3"을 설명한다.
컴플라이언트 준비 과정 3(도 15g 참조)(도 10d 및 도 10e에 적용할 수 있다.)
1. 실린더(128) 내의 스트로크의 바닥에 피스톤(130)이 도달할 수 있도록 액츄에이터(508a)를 피스톤까지 수축시키는 단계(1560)(설계에 따라서, 이것은 액츄에이터(508a)에 구비된 한계 스위치에 의해서, 완전히 수축된 상태까지 도달하는 데 걸리는 충분한 시간 동안 수축하는 방향으로 액츄에이터(508a)를 구동함에 의해서 또는 다른 종래 기술에 의해서 결정될 수 있다.)
2. 잠금장치(118)의 잠금을 해제시키는 단계(1561)
3. 실린더(128)로부터 공기를 배출시켜 피스톤(130)이 실린더(128)의 바닥을 지탱하도록 하는 단계(1562)
4. BCAA 액츄에이터(508b)를 사용하여 잠금장치(118)를 컴플라이언트 중립 위치로 위치시키는 단계(1563)
5. 균형과정을 수행하는 단계(1564)
6. 잠금장치(118)를 잠겨진 상태로 유지하면서, 실린더(128)에 대해서 피스톤(130)이 컴플라이언트 중립 위치(대략 중심 위치)인 위치까지 부하를 증가시키기 위해서 BCAA 액츄에이터(508b)를 사용하는 단계(1565)
7. 피스톤(130)의 운동이 약간의 불균형을 발생시킬 경우 다시 균형 과정을 수행하는 단계(1566)
컴플라이언트 과정 2 및 3에서, 균형 과정 경계치는 이탈력과 결합된 정지 마찰력보다 작지 않다는 것을 보장할 수 없을 것이다. 따라서, 도크 장치에 의해서 부분적으로 지지되는 부하에 의해서 도킹 위치가 준비될 때까지 잠금장치(118)는 잠겨진 상태로 유지되어야 한다. 하지만, 만약 부하가 메인 액츄에이터(508a)에 수직하게 위치되는 동안 잠금장치(118)가 잠금이 해제된 상태일 수 있다면, 위치센서(1046)는 부하가 어떤 방해에 부딪치는지 여부를 감지하는데 사용할 수 있다. 만약, 방해가 있다면, 부하와 관련된 힘은 잠금장치(118)에 상대적인 힘 로드(112)의 이동을 발생시킨다. 상기 이동은 위치 센서(1046)에 의해서 감지될 수 있으며, 따라서 메인 액츄에이터(508a)를 정지시키는 것과 같은 적절한 작동을 취하는 신호를 제공한다. 따라서, 시스템은 컴플라이언트 준비 과정 1이 신뢰성을 가지고 사용될 수 있도록 설계되는 것이 바람직하다.
도 10f는 또한 고정된 수직 기둥(1000)을 구비한다. 수직축은 액츄에이터(508)에 의해서 구동된다. 도 8a 및 도 10d에서 도시된 형태의 BCAA는 균형 및 컴플라이언스뿐만 아니라 수직 구동을 제공한다. 도 10d 및 도 10e의 설명에서 언급된 많은 것들이 도 10f에 사용되며, 따라서 여기서는 주로 새롭고 차이를가지는 것을 중심으로 설명한다.
도 10f의 시스템은 단독의 선형 액츄에이터(508)가 사용되며, 상기 액츄에이터는 도 8a의 BCAA의 선형 액츄에이터(508)에 동등하다. 또한, 스트로크 및 특성에 있어서 도 10d 및 도 10e의 메인 선형 액츄에이터(508a)와 동등하다. 액츄에이터 스크류(514)의 단부는 잠금장치(118)에 부착된다. 지지 브라켓(1094)은 잠금장치(118)를 단독으로 작동하는 공압실린더(128)에 부착시킨다. 메인 암(1030)은 연결로드(114) 및 피스톤(130)의 서브어셈블리, 힘 로드(112)의 서브어셈블리, 힘 센서(120), 및 잠금장치(118) 또는 시스템의 상태에 의존하는 두개의 조합에 의해서 지지된다. 선형 액츄에이터(508)의 단부에 부착되고 메인 암(1030)에 결합된 장치는 도 1a의 균형 기구와 동일하다.
메인 암(1030)을 컴플라이언트 준비 상태로 만들기 위해서, 다음의 과정("컴플라이언트 준비 과정 4")이 사용될 수 있다.
컴플라이언트 준비 과정 4(도 15h 참조)
1. 잠금장치(118)의 잠금을 해제시키는 단계(1570)
2. 실린더(128)로부터 공기를 배출시켜 연장 컴플라이언스 정지부재(522)가 잠금장치(118)를 지탱하도록 하는 단계(1571)
3. 실린더(128)에 공기를 주입하여 피스톤(130)이 이탈하여 상방으로 이동하는 지점까지 실린더 공기압력을 증가시키는 단계(1572)
4. 위치센서(1046)를 감지하는 동안, 피스톤(130)과 연결 로드(114) 및 힘 로드(112)를 계속 이동시키기 위해서 실린더 공기 압력을 조절하는 단계(1573)
5. 힘 로드(112)가 잠금장치(118)에 대해서 컴플라이언트 중립 위치에 도달할 때, 잠금장치(118)를 잠그고 실린더(128)의 공기 압력의 조절을 정지시키는 단계(1574)
6. 균형 과정을 수행하는 단계(1575)
만약 균형 과정 경계치가 정지 마찰력과 피스톤의 이탈력의 합성력보다 작으면, 액츄에이터(508)가 메인 암(1030) 및 메인 암이 지지하는 부하를 소정의 수직 위치까지 이동시키는 데 사용됨에 따라 잠금장치(118)의 잠금이 해제될 수 있으며 해제된 상태로 남아 있게 된다. 앞서 설명한 바와 같이, 이것은 바람직한 것이다. 그렇지 않은 경우, 잠금장치(118)는 도크 장치에 의해서 부분적으로 지지되는 부하와 함께 도킹 준비 위치(또는 다른 합당한 및 바람직한 상태)가 될 때까지 잠겨진 상태로 유지되어야 한다.
도 10a 및 도 10b는 모두 홀트 등에 의한 PCT 출원 PCT/US01/06456에서 설명된 접철식 기둥과 유사한 접철식 기둥(1000)을 구비한 머니퓰레이터를 구비한다. 도 10a에서, 도 8a에 도시된 형태의 BCAA가 균형 및 컴플라이언스를 제공하기 위해서 사용되며; 반면에, 도 6a에 도시된 형태의 BCAA가 같은 목적으로 도 10b에서 사용된다. 다음 설명은 대체로 상기 두개의 형태에 관한 것이다. BCAA의 형태에 기초한 특징적인 차이들은 필요한 경우 설명한다.
메인 암(1030)은 선형 가이드 레일(1058) 및 선형 가이드 베어링(미도시)을 사용하여 접철식 기둥(1000)의 상부 세그먼트(1001)에 미끄러지도록 부착된다. 이것은 상부 세그먼트(1000)에 상대적인 메인 암(1030)의 약 ±1 인치 정도의 수직버니어(vernier) 이동을 제공한다. 상부 및 하부 메인 암 정지부재(1032, 1054) 각각은 상부 세그먼트(1000)에 상대적인 메인 암(1030)의 이동을 제한한다. 테스트 헤드(미도시)는 종래의 여러 가지 수단(미도시)에 의해서 메인 암(1030)에 결합된다. 따라서 메인 암(1030)은 부하를 지지한다.
제1 선형 액츄에이터(508a)는 기둥(1002)의 중간 세그먼트를 고정된 하부 세그먼트(1004) 및 베이스(1003)에 대해서 수직하게 이동시킨다. 제2 선형 액츄에이터(508b)는 중간 세그먼트(1002)에 부착된 제1 지지 브라켓(1034)에 설치되며, 상부 세그먼트(1001)를 증간 세그먼트(1002)에 대해서 수직하게 이동시킨다. 접철식 기둥(1000)의 연장 및 수축은 먼저 부하의 수직 위치를 제공한다. 상부 정지부재(1032)와 하부 정지부재(1054) 사이에서의 메인 암(1030)의 버니어 이동은 도킹시 컴플라이언트 수직 이동을 위해서 사용된다.
BCAA(508c)는 상부 세그먼트(1001)에 부착된 제2 지지 브라켓(1040)과 메인 암(1030) 사이에 결합된다. 도 8a에 사용된 형태의 BCAA(508c)는 도 10a에 사용되며, 도 6a에 사용된 형태의 BCAA(508c)는 도 10b에 사용된다. 다른 경우에 있어서, BCAA(508c)는 수직 버니어 이동을 제어하기 위해서 그리고 수직 버니어 이동의 전 범위에 걸쳐서 컴플라이언스를 제공하기 위해서 사용된다.
본 시스템에서 컴플라이언트 준비 상태는 도 10d 및 도 10e에서와 같이 고정된 기둥(1000)을 가진 시스템의 컴플라이언트 준비 상태와 유사하다. 그러나, 추가적으로 메인 암(1030)을 상부 및 하부 메인 암 정지부재(1032, 1054) 사이의 특정된 중간 위치(하부 정지부재(1054)가 없는 경우 상부 정지부재(1032)로부터 특정거리만큼 떨어진 위치로)로 위치시킬 필요가 있다. 메인 암(1030)의 상기 위치를 컴플라이언트 중립 위치라고 한다.
컴플라이언트 중립 위치를 위한 조건은 다음과 같다.
1. 공압 실린더(128)의 공기압력은 연결로드(114)와 피스톤(130)이 메인 암(1030)의 전체 부하 및 공압실린더의 부하를 이겨낼 수 있는 정도이어야 한다.
2. 잠금장치(118)는 연장 컴플라이언스 정지부재(522) 및 수축 컴플라이언스 정지부재(524)에 대해서 컴플라이언트 중립 위치(두개의 중간 위치)에 있어야 한다.
3. 피스톤(130)은 실린더(128)에 대해서 컴플라이언트 중립 위치에 있으며, 그리고
4. 메인 암(1030)은 상부 메인 암 정지부재(1032) 및 하부 메인 암 정지부재(1054)에 대해서 컴플라이언트 중립 위치(두개의 중간 위치)에 있어야 한다.
도 10a 및 도 10b에 대한 상기 리스트 중 2항목 및 3항목에서 잠금장치(118) 및 피스톤(130)의 연결 위치 요구조건을 만족시키는 것은 도 10d 및 도 10e를 참고로 앞서 설명된 것과 같다. 특히, 잠금장치(118)가 브라켓(1052)을 통해서 실린더(128)에 부착되는 도 10a에서의 설계에 의해서 이루어질 수 있으며, BCAA 액츄에이터(508c) 또는 피스톤(130)의 위치에 대한 정보가 도 10b에서 요구된다.
메인 암(1030)을 잠금장치(118)와 피스톤(130)의 조합과 함께 위치결정할 필요성에 대한 일반적인 해결책을 제시하기 위해서, 도 10a 및 도 10b에 나타낸 위치센서(1056)가 상부 세그먼트(1001)에 상대적인 메인 암(1030)의 위치를 감지한다. 상기 센서(1056)는 도 10b에서 실린더(128)에 상대적인 피스톤(130)의 위치를 효과적으로 감지한다(도 10a는 해당하지 않는다.). 따라서, 도시된 위치 센서(1046)와 결합된 센서(1056)는 도 10a 및 도 10b에서 일반적이 해결책을 위해 모든 필요 위치를 충분히 감지할 수 있다.
또한, 전체 비용적인 측면에서, 시스템은 BCAA 액츄에이터(508c)가 완전히 연장되고, 또한 잠금장치(118)가 컴플라이언트 중립 위치에 있을 때, 메인 암(1030)이 컴플라이언트 중립 위치에 있도록 설계되는 것이 바람직하다. 상기 구속 조건에 따라, 메인 암 위치 센서(1056)는 도 10a 및 도 10b에서 생략될 수 있다. 하지만 BCAA 액츄에이터(508c)가 완전히 연장될 경우를 감지하는 수단을 포함할 필요가 있을 것이다. 이에 대해서는 도 10d 및 도 10e를 참고로 하여 설명한다.
다음의 작동 과정은 장치를 컴플라이언트 준비 상태로 위치시키기 위해서 사용될 수 있다.("컴플라이언트 준비 과정 5")
컴플라이언트 준비 과정 5(도 15i 참조)
1. 균형 과정을 수행하는 단계(1580)
2. 잠금장치(118)의 잠금을 해제시키고, BCAA 액츄에이터(508c)를 사용하여 잠금장치(118)를 컴플라이언트 중립 위치로 위치시키는 단계(1581a)
3. 만약 시스템이 도 10b에 도시된 형태라면 잠금장치(118)를 잠그고 BCAA 액츄에이터(508c)를 사용하여 피스톤(130)을 컴플라이언트 중립 위치로 위치시키는 단계(1581b)
4. 만약 메인 암(130)이 아직 컴플라이언트 중립 위치에 있지 않은 경우(예를 들면, 설계상의 이유로), 잠금장치(118)를 잠그고, BCAA 액츄에이터(508c)를 사용하여 메인 암(130)을 컴플라이언트 중립 위치로 위치시키는 단계(1582)
5. 만약 힘 로드(112)의 힘이 경계치 힘보다 큰 것을 힘 센서(120)에서 감지한 경우, 균형 과정을 수행하는 단계(1583)
6. 만약 잠금장치(118)가 잠겨진 경우, 잠금을 해제시키는 단계(1584)
단계 1581 및 1584는 힘 경계치가 피스톤(130)의 정지 마찰력과 이탈력의 합성력 보다 작을 것을 요구한다. 도 10d 및 도 10e의 경우에서와 같이, 이것은 시스템의 바람직한 기준이다. 상기의 경우, 메인 암(1030)과 메인 암(1030)이 지지하는 부하가 소정의 수직 위치로 이동됨에 따라, 잠금장치(118)는 잠금이 해제될 수 있으며 해제된 상태로 유지될 수 있다. 또한, 홀트 등에 의한 PCT 출원 PCT/US01/06456에서 설명된 바와 같이, 두개의 위치 센서(1046, 1056) 중의 하나는 상부 세그먼트(1001)에 대한 메인 암(1030)의 상대적인 이동을 감지하는데 사용될 수 있으며, 장애물을 만나는 것을 알려준다.
경계치 힘이 반드시 피스톤의 정지 마찰력 및 이탈력의 합성력 보다 작을 필요가 없도록 설계되는 시스템의 경우, 컴플라이언트 준비 과정 2 또는 컴플라이언트 준비 과정 3이 컴플라이언트 준비 과정 5의 처음 세 개의 단계와 대체될 수 있다. 상기 과정을 이하 설명한다. 이 경우, 부하를 위치시키는 동안 잠금장치(118)는 잠겨진 상태로 유지될 필요가 있으며, 위치 센서(1046, 1056)들은 장애물이 이동하는 것을 감지하는데 사용될 수 없다. 하지만, 경우에 따라서는, 힘 센서(120)가 장애물이 이동하는 것을 감지하는데 사용된다.
컴플라이언트 준비 과정 6(도 15j 참조)(도 10a 및 도 10b에 적용할 수 있으며, 공압실린더(128)가 잠금장치(118)를 위치시키는데 사용되며, 균형 경계치는 정지 마찰력 및 이탈력 보다 크다.)
1. 잠금장치(118)의 잠금을 해제시키는 단계(1590)
2. 실린더(128)로부터 공기를 배출시켜 연장 컴플라이언스 정지부재(522)가 잠금장치(118)를 지탱하도록 하는 단계(1591)
3. BCAA 액츄에이터(508c)가 스트로크의 중심 근처 또는 바람직한 컴플라이언트 중립 위치 근처에 있도록 조절하는 단계(1592)(이 단계는 액츄에이터의 고정부재(506c)에 대해서 액츄에이터의 구동 부재(514c)의 상대적인 위치를 감지하기 위한 위치 센서를 사용하는 종래의 방법을 사용할 필요가 있다. 여러 가지 실시예에서, 액츄에이터(508c)는 구동 부재(514c)가 이송의 끝단에 도달한 것을 감지하는 한계 스위치를 구비하며; 이들은 바람직한 결과를 얻기 위해서 종래의 방법으로 타이머를 함께 사용할 수 있다.)
4. 실린더(128)로 공기를 주입하여 피스톤(130)이 이탈하여 상방으로 이동하는 지점까지 실린더 공기 압력을 증가시키는 단계(1593)
5. 도시된 위치 센서(1046)를 사용하여 잠금장치(118)에 대한 힘 로드(112)의 상대적인 위치를 감지하는 동안, 피스톤(130), 그리고 이에 따른 연결로드(114) 및 힘 로드(112)를 계속 이송시키기 위한 실린더 공기 압력을 계속 주입하는 단계(1594)
6. 힘 로드(112)가 잠금장치(118)에 대해서 컴플라이언트 중립 위치에 도달한 경우, 잠금장치(118)를 잠그고, 실린더(128)의 공기압력 조절을 정지하는 단계(1595a)
7. 만약 시스템이 도 10b에 도시된 형태라면, BCAA 액츄에이터(508c)를 사용하여 피스톤(130)을 컴플라이언트 중립 위치로 위치시키는 단계(1595b)
8. 만약 메인 암(1030)이 컴플라이언트 중립 위치에 있지 않은 경우(예를 들어, 설계상의 이유로) 잠금장치(118)를 잠그고, BCAA 액츄에이터(508c)를 사용하여 메인 암(1030)을 컴플라이언트 중립 위치로 이동시키는 단계(1596)
9. 균형 과정을 수행하는 단계(1597)
컴플라이언트 준비 과정 7(도 15k 참조)(도 10a 및 도 10b에 적용할 수 있으며, 피스톤(130)은 실린더(128)의 바닥을 지탱할 수 있으며 균형 경계치는 정지 마찰력 및 이탈력 보다 크다.)
1. 피스톤(130)이 실린더(128) 내의 스트로크의 바닥에 도달할 수 있는 위치까지 BCAA 액츄에이터(508c)를 수축시키는 단계(1600)(설계에 따라 이것은 액츄에이터(508c) 내에서 작동되는 한계 스위치에 의해서, 완전한 수축 상태에 도달하기 위한 충분한 시간동안 액츄에이터(508c)를 수축하는 방향으로 구동시킴에 의해서, 또는 다른 종래 기술에 의해서 결정될 수 있다.)
2. 잠금장치(118)의 잠금을 해제시키는 단계(1601)
3. 실린더(128)로부터 공기 배출시켜 피스톤(130)이 실린더(128)의 바닥을 지탱하도록 하는 단계(1602)
4. BCAA 액츄에이터(508c)를 사용하여 잠금장치(118)를 컴플라이언트 중립 위치로 위치시키는 단계(1603)
5. 잠금장치(118)를 잠그고, 피스톤(130)이 실린더(128)에 대해서 컴플라이언트 중립 위치(대략 중심 위치)인 위치까지 부하를 증가시키기 위해서 액츄에이터(508c)를 사용하는 단계(1604)
6, 만약, 메인 암(1030)이 컴플라이언트 중립 위치에 있지 않으면(예를 들어 설계상의 이유로), 잠금장치(118)를 잠그고 BCAA 액츄에이터(508c)를 사용하여 메인 암(1030)을 컴플라이언트 중립 위치로 이동시키는 단계(1605)
7. 균형 과정을 수행하는 단계(1606)
도 10c는 또한 홀트 등에 의한 PCT 출원 PCT/US01/06456에 설명된 접철식 기둥과 유사한 접철식 기둥(1000)을 구비한 머니퓰레이터이다. 앞서 설명한 바와 같이, 메인 암(1030)은 선형 가이드 레일(1058) 및 선형 가이드 베어링(미도시)을 사용하여 상부 세그먼트(1001)에 미끄럼 가능하게 부착된다. 이것은 상부 세그먼트(1001)에 대해서 약 ±1 인치 정도의 상대적인 메인 암의 수직 버니어 이동을 제공한다.
제1 선형 액츄에이터(508a)는 기둥(1000)의 중간 세그먼트(1002)를 고정된 하부 세그먼트(1004) 및 베이스(1003)에 대해서 수직하게 이동시킨다. 중간 세그먼트(1002)에 대해서 상부 세그먼트(1001)를 이동시키기 위해서 그리고 수직 버니어 축에 균형 및 컴플라이언스를 제공하기 위해서 도 8a에 도시된 형태의 BCAA가 사용된다.
제2 선형 액츄에이터(1042)의 고정부재(506b)는 중간 세그먼트(1002)에 번갈아 부착되는 제1 지지 브라켓(1040)에 부착된다. 액츄에이터 스크류(514b)의 단부는 BCAA 잠금장치(118)에 부착된다. 잠금장치(118)는 상부 세그먼트(1001)에 부착되는 제2 지지 브라켓(1076)에 부착된다. 따라서, 선형 액츄에이터(508b)는 상부 세그먼트(1001)를 중간 세그먼트(1002)에 대해서 상대적으로 수직 이동시킨다. BCAA의 공압 실린더(128)는 제2 지지 브라켓(1076)에 부착되어 있다. 힘 로드(112) 및 연결로드(114)는 메인 암(1030)을 지지하는데 사용된다. 제2 선형 액츄에이터(508b), 공압 실린더(128), 피스톤(130), 연결로드(114), 힘 로드(112), 힘 센서(120), 위치 센서(1056), 컴플라이언스 정지부재(522 및 524) 등을 포함하는 장치는 도 8a에 도시된 형태의 BCAA를 구성하며, 추가적으로 이동가능한 상부 세그먼트(1001)에 부착된 지지 브라켓(1076)을 구비한다.
컴플라이언트 중립 상태인 메인 암(1030)의 상태는 도 10a 및 도 10b에 나타낸 것과 동일하다. 하지만, 상기 상태는 도 10a 및 도 10b에 도시될 수 있듯이 잠금장치(118)가 상부 세그먼트(1001)에 독립하여 위치될 수 없기 때문에 보다 단순하다. 그 결과, 만약 메인 암(1030)이 컴플라이언트 중립 위치에 있다면 잠금장치(118) 역시 컴플라이언트 중립 위치에 있을 것이며, 반대의 경우도 가능하다. 다음의 과정은 컴플라이언트 준비 상태를 이루기 위해 사용되는 과정("컴플라이언트 준비 과정 8")에 관한 것이다.
컴플라이언트 준비 과정 8(도 15l참조)
1. 잠금장치(118)의 잠금을 해제시키는 단계(1610)
2. 실린더(128)로부터 공기를 배출시켜 메인 암(1030)이 하부 메인 암 정지부재(1054)를 지탱하도록 그리고/또는 연장 컴플라이언스 정지부재(522)가 제2 지지 브라켓(1076)을 지탱하도록 하는 단계(1611)(이 경우, 제2 지지 브라켓(1076) 및 하부 메인 암 정지부재(1054)는 모두 상부 세그먼트(1001)에 고정된다.)
3. 실린더(128)로 공기를 주입하여 피스톤(130)이 이탈하여 상방으로 이동하는 지점까지 실린더 공기 압력을 증가시키는 단계(1612)
4. 메인 암 위치 센서(1056)를 감지하는 동안, 피스톤(130)과 연결로드(114) 및 힘 로드(112), 그리고 메인 암(1030)을 계속 상부로 이동시키기 위해서 계속 실린더 공기압력을 조절하는 단계(1613)
5. 힘 로드(112) 및 메임 암(1030)이 각각 컴플라이언트 중립 위치에 도달한 경우, 잠금장치(118)를 잠그고 실린더(128)의 공기 압력 조절을 중지하는 단계(1614)
6. 균형 과정을 수행하는 단계(1615)
균형 과정의 경계치 힘이 피스톤(130)의 정지 마찰력과 이탈력의 합성력보다 작은 경우, 액츄에이터(508a)는 메인 암(1030) 및 메인 암(1030)이 지지하는 부하를 바람직한 수직 위치까지 이동시키는데 사용되기 때문에 잠금장치(118)는 잠금이 해제된 상태일 수 있으며 잠금이 해제된 상태로 유지될 수 있다. 그렇지 않은 경우, 도킹 장치에 의해서 부분적으로 지지되는 부하와 함께 도킹 준비 위치가 될 때(또는 다른 바람직한 상태)까지 잠금장치(118)는 잠겨진 상태로 유지되어야 한다.
상기 설명한 것으로부터 알 수 있듯이 본 경우에 있어서 하나의 위치 센서(1056)를 사용하는 것으로 충분하다.
도 11은 하나의 테스트 헤드 머니퓰레이터(1101)에 사용된 본 발명의 다양한 바람직한 실시예를 나타낸다. 도 11의 머니퓰레이터(1101)는 홀트 등의 US 특허 출원 제09/646,072호에 설명된 베이스(1103), 고정된 기둥(1000) 및 도 9b에서 앞서 설명한 형태의 테스트 헤드(100)를 지지하는 메인 암(1030)을 구비한다. (도 11의 테스트 헤드(100)는 절단도이며, 도 9b에 도시된 내부 피치 및 요 회전 기구 뿐만 아니라 도킹 하드웨어는 간결성을 유지하기 위해서 도 11에서 나타내지 않았다.) 머니퓰레이터(1101)는 7개의 이동축, 즉 3개의 이송축 및 4개의 회전축을 구비한다. 이송축은 인-아웃(1128), 사이드 대 사이드(1126), 및 업-다운(또는 수직)(1130)이다. 회전축은 베이스의 스윙(1115) 회전, 그리고 테스트 헤드(100)의 피치(1113), 요(1117), 및 롤(1111) 회전이다. 대체적인 운동 요구도는, 인-아웃으로 ±10 인치, 사이드 대 사이드로 ±5 인치, 수직방향으로 30 인치, 스윙에서는 30 도 이상, 롤에서는 ±95도, 피치에서는 ±5도, 그리고 요에서는 ±5도이다. 본 실시예에서, 머니퓰레이터 축들의 모든 운동은 모터 구동 액츄에이터에 의해서 동력이 공급된다. 액츄에이터는 머니퓰레이터(1101)의 이동범위 내에서 테스트 헤드(100)를 한 위치 및 방향에서 다른 위치 및 방향으로 운동시키도록 중앙 제어기(미도시))에 의해서 제어된다. 운동을 제어하기 위해서 다수의 축을 제어하는데 영향을 주는 많은 기술들이 사용될 수 있다. 제어기에 피드백을 제공하기 위해서 적당한 위치 센서를 모든 축에 사용할 수 있다.
본 머니퓰레이터(1101)에서, 케이블 피봇 링 어셈블리(924)가 지지 브라켓(1114)의 단부에 설치되며, 지지 브라켓(1114)은 메인 암(1030)에 부착된다. 테스트 헤드(100)는 테스트 헤드 지지 빔(922)에 의해서 지지되며, 테스트 헤드 지지 빔은 테스트 헤드 마운트(926)에 고정된다. 테스트 헤드 마운트(926)는 케이블 피봇 링(924)의 회전링(1102)에 연결되어 있고, 지지 빔(922)의 중심선이 회전링(1102)의 회전 중심을 통과하며, 회전링(1102)의 평면에 수직하다. 장치는 테스트 헤드(100)가 지지 빔(922)의 중심선에 의해서 규정된 축에 대해서 ±95도 회전할 수 있도록 형성되며; 이것은 운동의 롤축(1111)이 된다.
도 11에서, 롤축(1111)은 테스트 헤드(100)의 무게 중심을 통과하여 롤운동이 실질적으로 균형이 잡혀져 있으며 효율적으로 무중력상태가 되도록 한다. 롤축에 대한 테스트 헤드(100)의 운동은 홀트 등에 의한 미국 특허 출원 제09/646,072호에 설명된 것과 같이 모터-기어박스-클러치 배열에 의해서 동력이 전달된다. 모터(미도시)가 구동되지 않을 경우, 클러치는 롤축(1111)에 대해서 균형이 잡힌 컴플라이언트 운동을 할 수 있도록 맞물림이 해제된다.
테스트 헤드(100)의 피치(1113) 및 요(1117) 축들은 테스트 헤드(100) 무게 중심을 통과하지 않는다. 도 9a 및 앞서 설명한 것과 같이 피치 BCAA(932) 및 요 BCAA(930)은 테스트 헤드(100) 및 테스트 헤드 마운트(926) 사이에 연결되어 있다. 이들은 도 11에서 각각 기구 1106 및 기구 1112로 표시되었다. 이에 대한 상세한 설명은 도 9a와 같다. 이들 두개의 BCAA(1106) 및 BCAA(1112)는 테스트 헤드(100)를 각각 피치 및 요축(1113, 1117)에 대해서 위치시키는데 사용되며, 또한 도킹및/또는 수동 조종을 위한 균형 잡힌 컴플라이언트 운동을 제공한다. ±5도의 이동범위는 피치 및 요축(1113, 1117) 모두에서 각각 제공된다.
테스트 헤드(100)의 수직이동은 도 10d, 도 10e 및 도 10f에서 앞서 설명한 것과 같이 BCAA를 포함하는 배열에 의해서 제공될 수 있다. 도 11에서, 도 10e의 배열은 기구(1118)로 명백하게 도시된다.(유연한 공기 튜브 및 고압 공기 공급장치는 도 11에 도시되어 있지 않다.) 만약, 접철식 기둥이 고정된 기둥(1000)대신에 사용된다면 도 10a, 도 10b 또는 도 10c에 도시된 형태 중 하나의 배열이 사용될 것이다. 도 11의 시스템은, 테스트 헤드(100)가 잠금장치(118)가 잠금이 해제된 상태에서 수직하게 위치될 수 있도록 정지 마찰력과 공가 실린더(128) 이탈력의 합성력이 균형 힘 경계치보다 크게 설계된다.
베이스(1103)의 스윙운동은 수평면에 존재하며 도 11에서 기구(1120)로 표시된 컴플라이언트 구동 기구에 의해서 영향을 받는다. 정상상태에서, 상기 축에서의 운동은 실질적으로 균형을 이루며 외력을 받지 않는다. 이 경우, 기본적으로 도 5a, 5b, 5c 및 도 7에서 나타낸 형태의 컴플라이언트 구동 기구가 사용될 수 있다. 약 30도 이상의 스윙 운동은 실질적으로 액츄에이터의 긴 스트로크를 요구하기 때문에, 도 5a 또는 도 7이 바람직하다. 하지만, 경우에 따라, 두껍고 다소 탄성을 가지며, 테스트 헤드(100)를 테스트 캐비닛(미도시)에 연결시키는 테스트 헤드 케이블(미도시)이 상기 축에서의 운동에 영향을 주는 위치에 따라 변화되는 힘을 가할 수 있다. 이러한 경우, BCAA는 균형잡힌 컴플라이언스뿐만 아니라 구동을 제공하기 위해서 기구(1120)를 사용할 수 있다. 또한, 도 8a 또는 도 8b에 도시한 형태의 BCAA는 여기서 유사하게 사용될 수 있다.
이와 유사하게, 베이스(1103)의 인-아웃 및 사이드 대 사이드 운동 또한 수평면상에 존재한다. 이들 축들의 컴플라이언트 구동 기구는 또한 기구 1122 및 기구 1124로 각각 도 11에서 나타나 있다. 스윙 운동과 같이, 이들 축들에서의 운동은 실질적으로 균형을 이루고 있으며 외력을 받지 않는다. 이들 축들에서 요구되는 이동범위는 ±5 인치에서 ±10 인치이다. 도 5a 또는 도 7의 기구는 상기 요구되는 범위를 제공할 수 있다. 상당히 변화하는 케이블 힘이 본 시스템에 존재하는 경우, 도 6a, 6b, 8a 또는 8b에 도시된 형태의 BCAA 기구들이 채택되어 수평축에서 유용하게 사용될 수 있다.
도 11에 도시된 BCAA 및 컴플라이언트 구동 기구는 명확한 설명을 위해 보이는 위치에 나타내었다. 실제 장치에 있어서, 몇몇 기구들과 부품들은 보이지 않을 수 있다. 예를 들어, 기구(1120, 1122, 및 1124)들의 구성요소들은 다른 기구들을 따라 머니퓰레이터 베이스(1103)를 포함하는 다양한 플레이트들 사이에 위치된다. 또한, 다른 예로서, 기구(1118)는 머니퓰레이터 기둥(1105)의 일측면 또는 다른 측면 또는 후방에 위치될 수 있다.
도킹에 대한 설명
액츄에이터-구동식 도킹의 바람직한 실시예를 도 11을 참고로 하여 설명한다. 도 11에서, 머니퓰레이터(1101)는 테스트 헤드(100)를 도킹 준비 위치까지 이동시키는데 사용되며, 분리되어 있으며 독립적으로 작동하는 도킹 액츄에이터(미도시)는 테스트 헤드(100)를 최종 또는 완전한 도킹 위치까지 이동시킨다. 다양한 형태를 가지는 가이드 기구들, 예를 들면 가이드 핀 및 홀, 기구학적 기구 등은 테스트 헤드(100)가 디바이스 핸들러/프로버(미도시)와 적절히 그리고 정확하게 정렬되도록 한다. 테스트 헤드(100)는 액츄에이터가 작동됨에 따라 머니퓰레이터(1101)에 대해서 순응하여 이동해야 한다. 완전히 도킹되었을 때, 액츄에이터 기구는 테스트 헤드가 그 위치에서 래치 고정시킨다.
테스트 헤드(100)가 더 비대해짐에 따라, '815 도크의 기본적인 아이디어는 3 또는 4쌍의 가이드 핀(912), 가이드 핀 리셉터클(912a) 및 케이블(915)과 상호 접속하는 원형 캠(910)을 구비하는 도크를 제공하기 위해서 점진적으로 변화하였다. 본 발명의 도 12a, 12b, 12c, 및 12d는 4개의 가이드 핀(912)과 홀(리셉터클)(912a)의 결합 및 4개의 원형 캠(910)을 구비한 도크를 나타낸다. 상기 4지점 도크는 4개의 캠(910) 각각에 부착된 액츄에이터 핸들을 구비하도록 구성되어 있을지라도, 도시된 도크는 케이블 드라이버(917)에 부착된 하나의 액츄에이터 핸들(914)을 구비한다. 케이블 드라이버(917)가 도킹 핸들(914)에 의해서 회전될 경우, 케이블(915)이 이동되어 4개의 캠(910)이 동시에 회전할 수 있도록 한다. 이러한 배열은 작업자에게 편리한 위치에 단독의 액츄에이터 핸들을 위치시킨다. 또한 캠(910)의 직경과 케이블 드라이버의 직경의 비를 적절히 조절함으로써 보다 큰 기계적인 장점은 얻을 수 있다.
도 12a 내지 도 12d를 참조하여 보다 상세히 설명한다. 도 12a는 크래들(200) 내부에 유지된 테스트 헤드(100)의 사시도이며, 크래들은 머니퓰레이터(미도시)에 의해서 번갈아 지지된다. 또한, 테스트 헤드(100)가 도킹될 수 있는디바이스 핸들러(1208)의 절단부가 도시되어 있다. 도 12b는 다소 큰 스케일로 보다 자세히 나타낸 디바이스 핸들러(1208)를 도시한다.(다시 한번 설명하지만, "핸들러"라는 단어는 일괄적인 디바이스 핸들러, 웨이퍼 프로버 등을 포함하는 테스트 장치들 중 하나를 설명하는데 사용된다.) 도 12c의 단면도를 보기에 앞서 간략하게 살펴보면, 테스트 헤드(100)는 전기 인터페이스(1226)를 구비하며, 디바이스 핸들러(1208)는 대응하는 전기 인터페이스(1228)를 구비한다. 전기 인터페이스(1126, 1128)는 수백 또는 수천개의 작고 손상되기 쉬운 전기 컨택트를 구비하고 있다. 상기 전기 컨택트들은 테스트 헤드가 완전히 도킹되었을 경우 신뢰성있는 개별적인 전기적 접속을 제공하기 위해서 세밀하게 결합되어 있어야 한다. 실시예의 경우에서 보듯이, 디바이스 핸들러(1208)의 하부면은 핸들러 전기 인터페이스(1128)를 포함하며, 테스트 헤드(100)는 대체로 하부에서 상부로 이동하여 도킹된다. 다른 방향들도 가능하며: 하부로 향하는 운동에 의해서 상부면과 도킹, 수평방향 운동에 의해서 수직면과 도킹, 그리고 수평 및 수직 운동에 의해서 각도를 가지는 평면과의 도킹을 포함한다.
도 12a 및 도 12b를 참조하면, 완전한 4 지점 도킹 장치가 나타나 있으며; 도킹 장치는 디바이스 핸들러(1208) 또는 테스트 헤드(100)에 부착된다. 테스트 헤드(100)에 부착된 부분은 페이스플레이트(면판, 1206)이다. 4개의 가이드 핀(912)은 페이스 플레이트(1206)의 4 귀퉁이 근처에 부착되어 위치된다. 페이스 플레이트(1206)는 중앙 홀을 구비하며, 테스트 헤드(100)에 부착되어 있어, 테스트 헤드 전기 인터페이스(1226)가 상기 홀을 통해서 돌출할 수 있도록 하며, 가이드핀(912)들은 전기 인터페이스(1226)와 대략 공통되는 중심을 가지는 사각형을 형성한다.
거싯 플레이트(1214)는 디바이스 핸들러(1208)의 하부면에 부착된다. 거싯 플레이트(1214)는 중앙홀을 구비하며 디바이스 핸들러(1208)에 부착되어 있어 핸들러 전기 인터페이스(1228)가 상시 홀을 통해서 돌출할 수 있도록 한다. 4개의 거싯(1216)들은 거싯 플레이트(1214)에 부착되며, 각각 4개의 귀퉁이 근처에 위치된다. 각각의 거싯(1216)은 가이드 핀 홀 또는 구멍이 형성된 리셉터클(912a)을 구비한다. 각각의 가이드 핀 홀(912a)은 각각 가이드 핀(912)에 대응한다. 이들은 도킹되었을 때 각각의 가이드 핀(912)이 각각의 가이드 핀 홀(912a)에 완전히 삽입될 수 있도록 배열된다. 따라서 가이드 핀(912) 및 가이드 핀 홀(912a)은 테스트 헤드 및 디바이스 핸들러 사이에 정렬을 제공한다.
4개의 도킹 캠(910)은 페이스 플레이트(1206)에 회전가능하게 부착된다. 캠(910)은 원형이며 '815 특허에서 설명된 것과 유사하다. 특히, 각각은 상부 면상에 원주면 주위에 도려내어진 측면 헬리컬 홈을 구비한다. 각각의 도킹 캠(910)은 각각의 가이드 핀(912)에 근접하게 위치되어 있어, 테스트 헤드 전기 인터페이스(1226)로부터 각각의 가이드 핀(912)을 통해서 대략적으로 연장하는 선상에 대체로 중심이 잡혀질 수 있도록 한다. 가이드 핀(912)은 캠(910)과 테스트 헤드 전기 인터페이스(1226) 사이에 놓인다. 거싯(1216) 및 거싯 플레이트(1214)의 귀퉁이들은 원형 절단부를 가지고 있어 가이드 핀(912)이 거싯들 내의 가이드 핀 홀(912a)에 완전히 삽입될 경우, 각각의 캠(910)의 원주는 각각의 거싯(1216)의 원형 절단부와 인접하며 동일한 축을 가질 수 있게 된다. 이들 배열은 테스트 헤드(100)가 디바이스 핸들러(1208)와 도킹하기 위한 위치로 조종될 때 도킹 요소들을 초기에 정렬되도록 한다.
부착된 도킹 핸들러(914)를 구비한 원형 케이블 드라이버(917)는 또한 페이스 플레이트(1206)에 회전가능하게 부착된다. 도킹 케이블(915)은 각각의 캠(910)에 부착되며, 케이블 드라이버(917)에 부착된다. 풀리(1224)는 케이블의 경로를 케이블 드라이버(917) 까지 그리고 케이블 드라이버(917)부터 적절히 안내한다. 케이블 드라이버(917)는 힘을 핸들러(914)에 제공함에 의해서 회전될 수 있다. 케이블 드라이버(917)가 회전함에 따라, 이것은 캠(910)을 번갈아 동시에 회전시키는 힘을 케이블(915)에 전달한다.
각각의 거싯(1216)의 원형 절단부로부터 연장되어 캠 종절(1210)이 형성되어 있다. 캠 종절(1210)은 각각의 캠(910)의 상부 면 상의 상부 절단부에 맞춰진다. 도 12(c)는 핸들러(128)에 테스트 헤드(100)를 도킹시키는 과정에서의 한 단계의 횡단면도이다. 여기서 가이드 핀(912)은 거싯(1216)들 내의 가이드 핀 홀(912a) 속에 부분적으로 삽입된다. 본 실시예의 경우, 가이드 핀(912)은 단부 근처에서 테이퍼져 있으며 페이스 플레이트(1206)와의 부착 지점 근처에서 일정한 직경을 가진다. 도 12c에서, 가이드 핀(912)은 일정한 직경을 가지는 영역이 가이드 핀 홀(912a)로 막 들어가는 지점까지 가이드 핀 홀(912a)에 삽입되었다. 또한 도 12c에서, 각각의 캠 종절(1210)은 헬리컬 캠 홈의 최상 단부의 깊이까지 각각의 캠(910)의 상부면 상의 상부 절단부 속으로 삽입되었다. 이러한 구조에서, 도크는핸들러에 힘을 가하고 캠을 회전시키기 위해서 작동되려고 한다. 따라서, 이러한 구조는 "작동 준비" 위치라고 한다.
도 12d는 완전히 회전하는 캠(910)의 결과를 나타내는 횡단면도이다. 테스트 헤드(100)는 핸들러(1208)와 완전히 도킹되어 있다. 캠(910)이 회전되어 캠 종절(1210)이 페이스 플레이트(1206)에 보다 근접한 위치까지 헬리컬 홈을 뒤따르도록 한 것을 알 수 있다. 또한, 가이드 핀(912)은 완전히 각각의 가이드 핀 홀(912a)에 삽입된다. 가이드 핀(912)의 일정 직경 영역과 각각의 가이드 핀 홀(912a)의 측면들 사이의 맞춤의 정확도는 핸들러 전기 인터페이스(1228)와 테스트 헤드 전기 인터페이스(1226) 사이의 최종 정렬을 결정한다는 것을 알 수 있다.
앞선 설명으로 미루어 보아, 여기서 도킹과정을 보다 완전하게 설명하고 용어를 정의하는 것이 적당할 것이다. 도킹의 목적은 테스트 헤드 전기 인터페이스(1226)를 핸들러 전기 인터페이스(1228)와 정확하게 일치시키는 것이다. 각각의 전기 인터페이스(1226, 1228)는 대체로 전기 컨택트의 단부와 명목상 평행한 평면을 규정한다(반드시 필수적인 것은 아님). 도킹될 때 이들 두개의 평면은 서로 평행하여야 한다. 전기 컨택트의 손상을 방지하기 위해서, 전기 컨택트들이 서로 기계적으로 접촉되기 전에 먼저 5자유도를 가지는 두개의 인터페이스(1226, 1228)들을 일직선으로 정렬시키는 것이 바람직하다. 만약 도킹된 위치에서 인터페이스들에 의해 규정된 평면들은 도 14의 X-Y 평면과 평행하다면, 각각의 컨택트들이 서로 일직선이 되기 위해서 정렬은 X, Y 및 세타 Z에서 발생해야 한다. 더욱이, 두개의 평면은 세타 X 및 세타 Y에서의 회전 운동에 의해서 평행하게 만들어진다. 두개의 전기 인터페이스 평면을 서로 평행하게 만드는 과정을 인터페이스의 "평면화"라고 하며; 상기 평면화가 수행된 경우 인터페이스들을 "평면화되었다" 또는 "공동 평면"이라고 한다. 일단 X, X 및 세타 Z에서 평면화되고 정렬된 경우, 도킹은 핸들러 전기 인터페이스(1228)의 평면에 수직한 Z 방향으로 이동시킴으로써 진행한다. 도킹 과정에서, 테스트 헤드(100)는 먼저 핸들러(1208)의 근처로 수동 조종된다. 또한 수동조종은 거싯(1216)의 원형 절단부를 캠(910)과 최초 정렬되도록 이동시킨다. 상기 위치는 또는 그 바로 전 위치는 "도킹 준비" 위치라고 볼 수 있다. 보다 일반적으로 "도킹 준비"는 제1 경로 정렬 수단들이 겨우 맞물리거나 거의 맞물릴 위치를 말한다. 상기 단계에서 그리고 세부 설계에 따라, 가이드 핀의 단부는 각각 가이드 홀에 들어가려고 한다. 또한 수동 조종이 테스트 헤드를 도 12a 내지 d에서 설명된 "작동 준비 위치"까지 이동시킬 것이다. 보다 일반적으로, "작동 준비"는 도킹 장치가 작동될 수 있는 위치까지 테스트 헤드가 도달한 것을 말한다. 작동 준비 위치에서, X, Y 및 세타 Z에서의 대략적인 평면화 및 정렬이 이루어진다. 도크가 작동됨에 따라 그리고 가이드 핀(912)이 각각의 가이드-핀 홀(912a)에 보다 완전히 삽입됨에 따라, 정렬 및 평면화는 보다 정확하게 된다.
대체로 작동 준비 위치는 도크의 두개의 절반체에서 정렬기구가 적어도 부분적으로 맞물리게 되고 몇몇 축들의 정렬이 이루어진 위치이다. 모든 축들이 정렬될 필요는 없다. 예를 들어, '815 특허에서 설명된 형태의 도크들 및 도 9a 및 b, 도 12a 내지 d에서 도시된 형태의 도크들에서, 작동 준비 위치는 테이퍼진 가이드 핀(912)이 가이드 핀 홀(912a)에 더 삽입된 위치이며, 핸들러(1208) 상의 캠종절(1210)이 도킹 캠(910)에 완전히 삽입될 수 있다. 이렇게 하는 동안, 테스트 헤드(100)는 대체로 수천분의 일 인치 내에서 그리고 대상이 되는 장치와 1도 이내의 동일평면성을 가지고 정렬된다. 다른 예에서와 같이, 미국 특허 제5,982,182호에서 설명된 도크에서 이것은 기구학적 접촉이 맞물리며 시스템이 대상물에 수직한 최종 선형 운동을 준비하는 위치이다.
상기의 방법들은 도 1a 내지 4b(Ny 등의 US 특허출원 제60/234,598호)에서 설명된 균형 시스템 그리고 도 6a 내지 9b에서 설명된 BCAA에 유용하다. 균형 시스템은 BCAA의 하나의 요소라는 점에서 이들은 몇 개의 공통점을 가지고 있다. 따라서 BCAA 및/또는 균형 시스템은 필요한 또는 요구되는 균형과 컴플라이언스를 제공할 필요가 있을 때 머니퓰레이터 및 테스트 헤드에 추가될 수 있다.
상기 설명한 본 발명과 같이, 테스트 헤드(100)는 도킹 전에 컴플라이언스 중립 위치에 이르며 그 위치에서 잠겨질 수 있다. 축 또는 축들은 도킹 시스템에 매우 근접한 최종 도킹에 바로 앞서 균형이 맞추어지며 컴플라이언스 준비상태로 된다. 이것은 잠금장치(118)가 잠겨진 상태에서 이루어지기 때문에, 테스트 헤드(100)의 순간적이며, 예기치 못한, 그리고 잠재적으로 위험한 이동의 위험은 없다. 이후, 시스템이 컴플라이언트 준비 상태에서, 잠금장치(118)는 컴플라이언트 운동을 허용하기 위해서 잠겨지지 않아야 하며, 도킹이 진행된다.
상기 지적했듯이, 압력센서(606a, 606b)는 공압 실린더(128) 각각의 입구에서의 공기 압력을 측정하기 위해서 포함되어 배치될 수 있다. 제어기(미도시)는 측정된 압력을 지시하는 압력센서의 신호를 받는다. 도킹을 해제하기 전에 균형 잡힌상태를 저장하기 위해서 압력 센서를 사용하는 것은 이미 앞서 설명하였다. 상기 과정이 없다면, 정상 작동은 균형 시스템 잠금장치가 풀려진 상태로 테스트 헤드(100)를 도킹 해제시키는 것이며, 따라서, 도킹을 해제하는 동안 컴플라이언트 운동을 위한 기회가 없어진다.
압력센서(606a, 606b)는 테스트 헤드(100)가 도킹되는 동안 및 테스트가 진행되는 동안 균형된 상태를 유지하기 위해서 시스템 내에서 사용된다. 이를 수행하기 위해서, 테스트 헤드(100)는 도킹 준비 위치로 이동된다. 균형 시스템 또는 BCAA를 가지는 모든 축들은 컴플라이언스 준비 상태가 된다. 이들은 균형잡혀지고 컴플라이언스 중립 영역에 위치된다. 그리고 나서, 공압 실린더(128) 내의 압력이 측정되고 제어기에 의해서 기록된다. 이후, 잠금장치(118)가 풀려지고, 테스트 헤드(100)가 도킹된다. 도킹 시스템 및 그 적용 형태에 따라서, 잠금장치(118)는 테스트 헤드(100)가 최종적으로 도킹되었을 때 다시 잠겨지거나 또는 잠금이 해제될 수 있다. 테스트 헤드(100)가 도킹되는 동안, 제어기는 공압 실린더(128)의 압력을 계속 감지하며, 기록된 값과 비교하고 실린더의 압력을 실질적으로 일정하게 유지하기 위해서 밸브(604)를 작동시킨다. 이것은 피스톤(130) 및 연결로드(114)에 실질적으로 일정한 힘을 유지하게 하며, 시스템을 바람직한 균형 상태로 유지시킨다. 명확하게, 테스트 헤드(100)는 균형잡혀진 상태에서 유용한 컴플라이언트 운동에 의해서 도킹이 해제될 수 있다.
보다 구체적으로, 도킹 시스템이 래치형인지 또는 래치형이 아닌지의 여부는 이용할 수 있는 작동모드를 결정한다. 래치형 도크는 다음과 같은 두개의 작동모드사이에서의 선택을 제공한다.
1. 테스트 헤드(100)가 도킹될 동안 상기 설명한 것과 같이 잠금장치(118)가 풀려진 상태로 균형이 유지된다. 도킹이 해제되는 동안 잠금장치(118)가 풀려진 상태로 균형 및 컴플라이언트 운동을 위한 기회가 보존된다.
2. 테스트 헤드(100)가 도킹될 동안 잠금장치(118)가 잠겨진 상태로 균형이 유지되지 않는다. 여기에는 도킹 해제를 위한 두개의 다음과 같은 서브 옵션이 있다.
a. 균형은 도킹 해제 전에 저장되며, 그리고 도킹 해제 동안 잠금장치(118)가 풀려진 상태로 컴플라이언트 운동을 위한 기회가 보존된다.
b. 도킹이 해제되는 동안 균형이 저장되지 않으며 잠금장치(118)는 잠겨진 상태로 유지되어야 한다. 이러한 방법은 압력센서가 필요치 않다.
래치형이 아닌 도킹 시스템에서, 테스트 헤드(100)가 도킹될 동안 대체로 잠금장치(118)를 잠글 필요가 있다. 이것이 가장 널리 사용되는 시스템의 형태이다. 미국 특허 제4,589,815호에서 설명된 것과 같이 기본적인 두 지점 도킹 장치는 도 9a, 9b 그리고 도 12a 내지 d에 도시된 3개 또는 4개의 쌍으로 된 가이드 핀(912), 가이드 핀 홀(912a) 및 케이블 드라이버를 포함하도록 연장될 수 있다. 이러한 목적을 위해서 2지점, 3지점 및 4지점 도크는 산업용으로 널리 사용된다. 비록 이러한 장치는 작업자가 힘을 도킹 핸들러(914)에 가함으로써 수동으로 작동될지라도, 모터, 전기 또는 공압 선형 액츄에이터, 그리고/또는 진공으로 작동되는 디바이스를 포함하는 도킹 액츄에이터들의 다른 형태도 알려져 있다. 일반적으로 테스트 헤드(100)는 디바이스 핸들러, 웨이퍼 프로버, 또는 가능한 다른 장치와 도킹될 것이며, 이들은 집합적으로 핸들러(128) 또는 "대상 장치"라로 불려진다. 다음의 과정은 도킹을 위해서 수행된다.
시스템은 도 15(m)에 도시된 것과 같이, 테스트 헤드(100) 또는 부하를 대상 장치로부터 떨어진 시작점으로부터 도킹 준비 위치까지 수동으로 조종된다.
a. 수평(인-아웃, 사이드 대 사이드, 및 스윙)축 상의 컴플라이언트 드라이브 및/또는 BCAA는 컴플라이언트 준비 상태로 되며, 잠금장치(118)가 잠겨지는 단계(1620).
b. 피치 및 요 BCAA가 컴플라이언트 준비 상태로 되고 잠금장치(118)가 잠겨지는 단계(1621).
c. 수직 구동 기구의 BCAA는 (컴플라이언트 준비 과정 1을 사용하여) 컴플라이언트 준비 상태에 이르게 되며, 잠금장치(118)의 잠금이 해제되는 단계(1622)
d. 테스트 헤드(100) 또는 부하가 대상 장치에 대해서 도킹 준비 위치로 조종되는 단계(1623). 이를 위해서, 제어기는 액츄에이터를 제어하여 테스트 헤드(100)를 운동 경로를 따라 이동시켜 도킹 준비 위치에 이르게 한다. 대체로, 도킹 준비 위치는 도크의 두개의 절반체에서의 정렬 기구가 매우 근접한 또는 최초 접촉하는 위치이나, 완전히 맞물리는 위치는 아니다. 예를 들어, 가이드 핀(912)을 구비한 많은 도크 형태들에서, 도킹 준비 위치는 도킹 가이드 핀(912)이 대상 장치의 쌍을 이루는 도킹 가이드 핀 리셉터클(912a)과 근접하게 위치되는 또는 막 맞물리려고 하는 위치이다. 제어기는 여기에 영향을 주는 알고리즘을 사용할 수 있으며, 또한 작업자는 누름버튼, 조이스틱 및/또는 다른 적당한 제어기로의 입력 장치를 사용하여 상기과정을 안내할 수 있다.
도킹 준비로부터 완전히 도킹되는 과정
e. 준비: BCAA를 구비한 머니퓰레이터의 모든 축들을 다시 균형맞춘다. 각각의 BCAA는 차례로 균형이 맞춰지는 단계(1642). 특정 BCAA의 균형 맞춤은 다른 BCAA의 균형을 무너뜨린다. 따라서, 각각의 BCAA의 힘 센서(120)가 균형된 상태를 나타낼 때까지 상기 과정을 반복한다. (대체로 상기 목적은 3번 이하의 반복, 보통 2번의 반복에 의해서 이루어진다.
f. 압력 센서들이 BCAA에 사용된다면, 현재의 압력이 제어기에 의해서 읽혀져 나중에 사용하기 위해서 제어기의 메모리에 저장되는 단계(1652)
g. 잠금장치(118) 모두의 잠금상태가 해제되고, 모든 축에서 균형잡힌 컴플라이언트 운동이 행해지는 단계(1626). (설계에 따라, 홀트의 미국 특허 출원 제09/646,072호에서 설명한 것과 같이 모터가 작동하지 않고 롤축이 구동되지 않을 때마다 롤축 모터의 클러치가 자동적으로 분리된다. 테스트 헤드(100) 또는 부하는 균형 잡힌 컴플라이언트 상태에 있으며, 25 내지 30 파운드 이하의 힘으로 외부 수단에 의해서 조종될 수 있다.)
h. 테스트 헤드(100)는 또한 작동 준비 위치로 조종된다. 이것의 전체 운동은 대체로 1 인치 이하이며, 조종은 수동으로 행해질 수 있다. 하지만, 보다 복잡한 시스템에서는, 제어기(미도시)가 테스트 헤드(100)를 상기 작동 준비 위치로 이동시키는데 사용될 수 있다. 이를 위해서, 제어기는 핸들러(또는 다른 대상 장치)의 전기 인터페이스(1228) 평면에 수직한 직선 경로를 따라 테스트 헤드(100)를 이동시킨다. 운동을 위한 적절한 축 또는 축들은 선택되며(수평 도킹을 위해서는 수직축, 수직 도킹을 위해서는 인-아웃 또는 사이드 대 사이드 축, 또는 경사진 도킹을 위해서는 수직 및 인-아웃 또는 수직 및 사이드 대 사이드 축의 결합), 잠금장치(118)는 잠금상태로 되며, 액츄에이터가 테스트 헤드(100)를 위치시키는데 사용된다. 따라서 잠금장치(118)는 다시 잠금이 해제된다.(다른 축은 필요한 컴플라이언트 운동을 위해서 잠금상태가 풀려진 상태로 남아있으며, 이는 상기 설명한 것과 같이 테스트 헤드(100)가 정렬되도록 한다.)
i. 도킹 액츄에이터가 작동되어 테스트 헤드가 대상 장치(1201)와 완전히 도킹되는 위치로 당겨지는 단계(1628). 도 9a에 도시된 도킹 장치와 같이 수동으로 작동되는 도크에서, 상기 작동은 힘을 도킹 핸들(914)에 가함으로써 수행되며, 이것은 도 9a의 도킹 캠(910) 또는 도 12a의 케이블 드라이버(유닛(914)의 부품) 회전시킨다. 동력이 공급되는 액츄에이터를 구비한 도크에 있어서, 상기 과정은 액츄에이터를 적절히 구동시킴으로써 행해진다. 테스트 헤드(100)가 최종 도킹 위치로 당겨짐에 따라, 6 공간 자유도를 가지고 순응하여 자유롭게 움직이게 된다. 항상 선호되는 것은 아니지만, 바람직하다면 선택된 축들은 일치하는 자유도 내로 컴플라이언트 운동을 제한하기 위하여 잠금장치(118)들을 맞물리게 할 수 있다.
도킹 기구의 설계는 대체로 도킹 액츄에이터가 완전히 도킹된 한계에 도달한 위치에서 테스트 헤드(100)가 효과적으로 래치고정되도록 하는 것이다. 이에 따라, 테스트 헤드(100)가 완전히 도킹되고, 적절한 위치에서 래치고정되며 그리고 기계적으로 장치를 테스트할 준비 상태가 된다.
이하, 래치고정이 없는 도킹을 구비한 머니퓰레이터-구동식 시스템에 대해서 설명한다. 이러한 시스템에서, 머니퓰레이터는 도킹과 관련된 힘을 극복해야 한다. 이들 힘은 대체로 스프링에 의해서 부하가 작용하는 수백 또는 수천개의 포고 핀들을 압축하기 위해서 그리고/또는 전기 접속기 내의 수백 또는 수천개의 짝을 이루는 컨택트들을 결합시키기 위해서 필요하다. 각각의 상기 포고 핀 또는 컨택트는 수 그램 또는 온스의 힘을 필요로 하며, 도킹에 필요한 전체 힘은 수백 파운드에 이른다. 머니퓰레이터 구동 도킹에 대해서, 도킹에 사용되는 머니퓰레이터 구동 기구는 도킹에 필요한 힘을 극복할 수 있어야 하며 또한 추가적으로 테스트 헤드(100)를 또는 부하를 자유공간에서 운동시키기 위한 힘을 필요로 한다. 만약 구동되는 축들이 균형을 이루고 있다면, 구동력을 감소된다.
머니퓰레이터 구동식 도킹에서 구동될 축들에 BCAA 기구를 사용하는 것이 좋다. 먼저, 축을 구동하는 액츄에이터는 대체로 도킹시 필요한 힘과 이에 부가하여 테스트 헤드(100) 또는 부하를 조정하기 위해서 필요한 힘을 극복하기 위한 충분한 크기의 구동력을 구비할 수 있다. 또한, 문제가 되는 축이 잠금장치(118)의 잠금이 해제된 상태에서 균형된 조건으로 조종될 수 있도록 설계된다면, 상대적인 위치 센서는 장애물(예를 들면, 도 10a 내지 도 10f에서 설명한 장애물)을 감지하는데 사용될 수 있다. 더욱이, 힘 센서(120)는 테스트 헤드(100) 또는 조종이 잠금장치(118)가 잠겨진 상태에서 수행되는 경우 장애물을 감지하는데 사용될 수 있다.
다시 한번 설명하면, 액츄에이터 구동식 도킹에서 도킹 장치는 테스트 헤드(100)를 디바이스 핸들러(도 12a의 1208) 또는 프로버의 테스트 위치와 일직선이 되도록 안내하기 위해서 일측상에 가이드 핀(912), 그리고 다른 측상에 짝을 이루는 가이드 핀 홀(912a)을 구비하는 것이 일반적이다. 두개의 근접 맞춤 홀(912a)에 맞춰지는 두개의 가이드 핀(912)은 제공된 공간 5 자유도로 정렬을 제공할 것이며, 핀(912)의 길이와 홀(912a)의 깊이는 충분하다. 만약 도킹될 표면이 평면이라면, 상기 자유도는 평면에서 X, Y 및 세타를 그리고 평면에 대해서 피치 및 롤을 포함한다. 잔존하는 자유도는 두개의 평면 사이의 수직거리이며, 이는 도킹 액츄에이터 기구에 의해서 조절된다. 상기 기술은 머니퓰레이터 구동식 도킹에 사용될 수 있으며; 하지만 앞서 설명한 [그라함 등]의 내용과 같은 다른 기술 또한 알려져 있다.
머니퓰레이터 구동식 도킹을 위한 과정은 이하에서 간략하게 정리되어 있으며, 도 15n의 순서도로 나타나 있다. 상기 과정은 대체로 액츄에이터 구동식 도킹을 위한 과정의 형태를 따른다.
1) 시스템은 대상 장치로부터 떨어져 있는 시작점으로부터 도킹 준비 위치까지 테스트 헤드(100) 또는 부하를 조종할 수 있도록 준비된다.
a) 수평(인-아웃, 사이드 대 사이드, 및 스윙)축 상의 컴플라이언트 드라이브 및/또는 BCAA는 컴플라이언트 준비 상태에 이르게 되고, 잠금장치(118)가 잠겨지는 단계(1630)
b) 피치 및 요 BCAA는 컴플라이언트 준비 상태에 이르게 되고,잠금장치(118)가 잠겨지는 단계(1631)
c) 수직 구동 기구의 BCAA가 (컴플라이언트 준비 과정 1을 사용하여) 컴플라이언트 준비 상태에 이르게 되고, 잠금장치(118)의 잠금이 해제되는 단계(1632)
2) 테스트 헤드(100) 또는 부하가 대상 장치와 도킹 준비 위치로 조종되는 단계(1633). 이를 위해서, 제어기는 액츄에이터가 테스트 헤드(100)를 운동 경로를 따라 이동시키도록 제어하여 도킹 준비 위치에 이르게 한다. 대체로, 도킹 준비 위치는 두개의 절반체의 도킹 장치가 짝을 이루는 부분과 매우 근접한 위치 또는 막 맞물리려고 하는 위치이다. 상기 제어기는 여기에 영향을 주는 알고리즘을 사용할 수 있으며, 또한 작업자는 누름버튼, 조이스틱 및/또는 다른 적당한 제어기로의 입력 장치를 사용하여 상기과정을 안내할 수 있다.
3) 도킹 준비에서 완전히 도킹된 상태까지의 과정
a) 준비: BCAA를 구비한 머니퓰레이터의 모든 축을 다시 균형맞춰지며, 각각의 BCAA가 차례로 균형 맞춰지는 단계(1634). 특정 BCAA의 균형 맞춤은 다른 BCAA의 균형을 무너뜨린다. 따라서, 각각의 BCAA의 힘 센서(120)가 균형된 상태를 나타낼 때까지 상기 과정을 반복한다. (대체로 상기 목적은 3번 이하의 반복, 보통 2번의 반복에 의해서 이루어진다.)
b) 압력 센서들이 BCAA에 사용된다면, 현재의 압력이 제어기에 의해서 읽혀지며, 나중에 사용하기 위해서 제어기의 메모리에 저장되는 단계(1635)
c) 구동될 그리고 제어될 축들이 결정되는 단계(1636). 이들은 특정 설치에 있어서 설계에 의해서 미리 결정될 수 있으나, 보통 테스트 헤드(100)가 도킹될 장치의 상태에 따라 결정된다. 대체로 선택된 축들은 적어도 핸들러 또는 프로버의 도킹 면, 즉 수평, 수직 또는 수평에 대해서 소정의 각으로 경사를 가지는 면에 수직한 경로를 따라 이동할 수 있을 것이다. 어떤 경우에 있어서는, 함께 이끌린 두개의 표면의 평면화에 영향을 주는 축들을 구동시키고 제어하는 것이 바람직하다.
d) 구동되지 않고 제어되지 않는 축들의 잠금장치(118)는 모두 잠금이 해제된 상태이며, 완전히 도킹된 상태로 이동하는 동안 상기 축들에서 균형잡힌 컴플라이언트 운동이 될 수 있도록 하는 단계(1637). 구동되고 제어될 축들의 잠금장치(118)는 잠겨진 상태로 유지된다.(설계에 의해서, 홀트 등의 미국 특허 출원 제09/646,072호에서 설명한 것과 같이 모터가 작동되지 않으며 롤축이 구동되지 않을 경우 롤축 모터의 클러치는 자동적으로 분리된다. 또한 롤축이 도킹운동의 부분으로써 구동된다면, 상기 설명한 것과 같이 토크가 작용하지 않는 제한된 작동이 준비될 필요가 있다.) 테스트 헤드(100) 또는 부하는 균형 잡힌 컴플라이언트 상태로 존재한다.
e) 테스트 헤드가 센서에 의해서 결정된 최초 정렬위치까지 그리고/또는 테이퍼진 가이드 핀(912)이 가이드 핀 리셉터클(912a)로 일부 삽입되는 위치까지 조종되는 단계(1638). 이를 위해서, 테스트 헤드(100)는 대상 장치와 수천분의 1인치 내 그리고 약 1도 내의 평면도 내에서 정렬된다. 이것은 1 인치 이하의 전체 운동에 해당하며, 머니퓰레이터 구동 시스템에서 조정은 제어기를 사용하여 테스트 헤드(100)를 최초 정렬 위치로 위치시키도록 함으로써 수행된다. 이를 위해서, 제어기는 대상 장치상의 도킹 영역 평면에 수직한 일직선 경로를 따라 테스트헤드(100)를 이동시킨다. 만약 상기 단계 2) c)에서 선택된 축과 다른 축들이 본 단계에서 사용된다면, 이들 축들은 이동 전에 잠겨져 있어야 하며, 이동 후에 다시 잠금이 해제된다(다른 축들은 필요한 컴플라이언스를 허용하기 위해서 풀려진 상태로 남아있게 된다.).
f) 테스트 헤드(100)가 대상 장치와 완전히 도킹되는 위치로 이동하는 단계(1639). 단계(1636)에서 선택된 축들은 테스트 헤드(100)를 완전히 도킹되는 위치로 적절한 경로를 따라 이동시키기 위해서 시스템 제어기에 의해서 구동되고 제어된다. 테스트 헤드(100)가 최종 도킹 위치로 이동됨에 따라, 선택되지 않은 축들은 순응하여 자유롭게 이동한다. 하지만, 바람직하다면 일부 선택되지 않은 축들은 대응하는 자유도 내로 컴플라이언트 이동을 제한하기 위해서 잠금장치(118)들을 맞물리게 할 수 있으나; 이는 대체로 선호되는 작동 모드가 아니다. 이 이동 일어남에 따라, 적절한 위치 센서가 감지된다. 테스트 헤드(100)가 완전히 도킹된 위치에 도달하였을 때 신호를 보내기 위해서 최소한 하나 이상의 위치 센서가 필요하다. 필요하다면 다른 센서들은 테스트 헤드(100)가 도킹될 위치까지 이동됨에 따라 테스트 헤드(100)의 정렬 및 평면화를 유지하고 향상시키기 위해서 사용될 수 있다. 축들은 상기 과정동안 구동되고 제어된다.
4) 테스트 헤드(100)가 완전히 도킹된 경우, 구동되는(상기 1636 단계에서 선택된)축들은 완전히 잠겨진 상태로 정지되고 유지되는 단계(1640). 만약 테스트 헤드(100)를 도킹된 위치로 유지하기 위해서 래치 기구가 사용되지 않는다면, 일련의 테스트 동안 그리고 테스트 헤드(100)를 사용하는 동안 상기 구동되는 축들은상기 상태로 유지되어야 한다. 이러한 래치는 제어기에 의해서 제어되며 도킹된 위치가 완성된 것을 가리키는 신호에 의해 작동된다.
테스트 헤드 장치를 가지고 테스트 헤드의 도킹된 위치를 유지하는 다른 기술은 몇몇 또는 모든 머니퓰레이터 이동축들의 잠금 또는 해제를 포함한다. 다른 기술은 BCAA의 실린더(128)에서의 압력을 감지하고 유지함에 의해서 테스트 헤드(100)의 균형된 상태를 유지하고 있다.
도킹 방법에 있어서, 테스트 헤드(100)의 두개의 중간 위치는 각각의 경우에 따라 특정되며, 상기 위치는 액츄에이터 구동식 도킹 및 머니퓰레이터 구동식 도킹에서의 도킹 준비 위치와 액츄에이터 구동식 도킹에서의 작동 준비위치 및 머니퓰레이터 구동식 도킹에서의 대응하는 최초 정렬 위치이다. 경우에 따라서, 두개의 중간 위치는 동일한 하나일 수 있다. 또한 도킹에서, 하나 또는 모든 상기 중간 위치들에 테스트 헤드(100)를 잡아 유지하기 위해서 기계적인 캐취장치(catch)가 사용될 수 있다. 이들 캐취장치들이 작동될 경우, 테스트 헤드(100)가 얻어진 도킹 위치로부터 멀리 이동하는 것을 방지하지만, 테스트 헤드를 다음 도킹 위치로 이동시킬 수 있다. 이들 캐취장치의 사용은 새로운 방법을 만들어내는 것보다 상기 방법들을 향상시킨다.
본 발명의 바람직한 실시예가 도시되고 설명되었지만, 실시예는 단지 예시적으로 제공된 것이며, 본 발명의 기술적 사상에서 벗어나지 않은 많은 변경, 변화 및 대체 등이 당업자 수준에서 이루어질 수 있다. 따라서, 첨부된 청구항들은 본발명의 사상 및 범위 내에 있는 이러한 모든 변화들을 포함한다.

Claims (135)

  1. 부하를 지지하기 위한 장치로:
    상기 부하의 회전축에 대해서 토크가 발생되도록 상기 부하가 불균형을 이루며, 부하의 불균형에 의해서 힘이 발생되고, 상기 부하로부터 얻어진 힘을 감지하기 위한 힘 센서;
    상기 힘 센서에 의해서 감지된 상기 힘에 응답하여 상기 부하에 상대적인 짝힘(counter force)을 제공하기 위한 힘의 공급원을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    잠금장치를 더 포함하며, 상기 힘 센서가 상기 힘을 감지하고 있을 때 그리고 상기 잠금장치가 잠겨진 상태에 있을 때 상기 잠금장치는 상기 부하의 위치를 유지시키는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 힘의 공급원은 상기 부하가 상기 축에 대해서 균형을 유지할 때 그리고 상기 잠금장치가 잠금이 풀려진 상태일 때, 상기 부하에 이동할 컴플라이언트 범위를 제공하는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 부하의 회전축에 대해서 토크가 발생되도록 불균형 상태에 있는 부하의 균형을 맞추기 위한 장치로:
    상기 부하의 불균형으로 인해 상기 부하가 힘 센서에 가하는 힘의 양을 측정하기 위한 힘 센서; 그리고
    상기 힘을 방해하기 위해서 짝힘을 발생시키는 힘 발생기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    잠금장치를 더 포함하며, 상기 잠금장치는 상기 힘 센서가 상기 힘의 양을 측정할 때 그리고 상기 잠금장치가 잠겨진 상태에 있을 때 상기 부하의 위치를 유지시키는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 힘 발생기는 상기 부하가 상기 축에 대해서 균형을 이룰 때 그리고 상기 잠금장치의 잠금이 해제된 상태에 있을 때 상기 부하에 컴플라이언트 이동 범위를 제공하는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 축에 대해서 부하의 균형을 맞추는 방법으로:
    상기 부하가 불균형한 결과로 부하에 의해서 가해진 힘의 적어도 일부를 측정하는 단계; 그리고
    상기 힘을 방해하기 위해서 짝힘을 제공하여, 이에 따라 상기 부하는 상기 짝힘을 제공하기 전 보다 균형을 이룬 상태에 보다 근접하게 되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 힘을 측정하는 단계 동안 상기 부하를 한 위치에서 잠그는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 부하를 지지하기 위한 장치로:
    상기 부하를 지지하기 위한 지지구조물;
    상기 지지구조물을 일 방향으로 구동시키기 위한 구동 유닛;
    상기 지지구조물에 이동범위를 제공하기 위한 컴플라이언스 유닛; 그리고
    잠겨진 상태일 경우 상기 부하를 상기 이동범위 내의 임의의 위치에 유지시키기 위한 잠금장치를 포함하며,
    상기 구동 유닛이 상기 지지구조물을 구동시키는 결과로써 상기 구동 유닛은 상기 이동범위 위치를 변화시키는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 컴플라이언스 유닛은 상기 이동범위의 각 끝단에 정지부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 구동 유닛은 동력이 공급되는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 잠금장치가 잠금이 풀려진 상태일 경우 상기 부하의 미끄럼 마찰력을 이겨냄으로써 상기 부하의 위치는 상기 이동범위 내에서 변화될 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 방향은 수평면상에 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 이동범위는 상기 구동 유닛에 상대적인 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 컴플라이언스 유닛은 유압 실린더이며, 상기 이동범위는 유압 실린더 내에 포함된 피스톤의 스트로크에 의해서 규정되는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 유압 실린더는 상기 피스톤의 제1 측면 상에 제1 포트를, 상기 피스톤의 제2 측면 상에 제2 포트를, 그리고 상기 제1 포트 및 제2 포트를 연결하는 튜브를 포함하며, 상기 실린더는 상기 제1 포트 및 제2 포트 사이를 튜브를 통해서 흐르는 비압축성 유체를 포함하며, 상기 지지구조물의 이동은 상기 제1 포트와 상기 제2 포트 사이의 유체 흐름을 발생시키는 것을 특징으로 하는 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 튜브는 밸브를 포함하며, 상기 밸브가 닫혀진 상태일 경우 상기 밸브는 상기 제1 포트와 제2 포트 사이의 유체 흐름을 차단하며, 상기 차단된 유체 흐름은 상기 컴플라이언스 유닛의 위치에 대한 상기 지지구조물의 위치를 유지시키는 것을 특징으로 하는 장치.
  18. 부하를 지지하기 위한 장치로:
    상기 부하를 지지하기 위한 지지구조물;
    상기 지지구조물을 일 방향으로 구동시키기 위한 구동 유닛; 그리고
    상기 지지구조물에 이동범위를 제공하기 위한 컴플라이언스 유닛을 포함하며, 상기 컴플라이언스 유닛은 상기 지지구조물과 결합된 제1 액츄에이터 및 상기 지지구조물과 결합된 제2 액츄에이터를 포함하며, 상기 제1 액츄에이터 및 상기 제2 액츄에이터 중 적어도 하나의 작동은 상기 이동범위를 변화시키는 것을 특징으로 하는 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 컴플라이언스 유닛은 상기 구동 유닛과 결합된 컴플라이언스 샤프트, 상기 컴플라이언스 샤프트와 결합된 컴플라이언스 정지부재를 더 포함하며, 상기 컴플라이언스 샤프트를 구동시키는 상기 구동 유닛은 상기 컴플라이언스 정지부재를 상기 이동범위 내에서 변화시키며, 상기 이동범위는 상기 제1 액츄에이터 및 상기 제2 액츄에이터의 위치에 의해서 제한되는 것을 특징으로 하는 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 구동 유닛은 상기 컴플라이언스 정지부재를 상기 제1 액츄에이터를 향하는 제1 방향으로 이동시키며, 상기 구동 유닛은 상기 컴플라이언스 정지부재를 상기 제2 액츄에이터를 향하는 제2 방향으로 이동시키며, 상기 구동유닛은 상기 컴플라이언스 정지부재가 상기 제1 액츄에이터와 접촉할 경우 상기 제1 방향으로 상기 지지구조물을 이동시키고, 상기 구동유닛은 상기 컴플라이언스 샤프트가 상기 제2 액츄에이터와 접촉할 경우 상기 제2 방향으로 상기 지지구조물을 이동시키는 것을 특징으로 하는 장치.
  21. 제18항에 있어서,
    상기 구동유닛은 상기 잠금장치와 결합되어 상기 잠금장치가 잠금이 풀려진 상태에 있는 경우 상기 이동범위 내에서 상기 구동유닛이 상기 잠금장치를 구동시킬 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 장치.
  22. 부하를 지지하기 위한 장치로:
    상기 부하가 상기 부하의 축에 상대적으로 불균형하기 때문에 힘이 발생하며, 상기 부하로부터 얻어진 힘을 감지하는 힘 센서;
    상기 힘 센서로부터 감지된 상기 힘에 응답하여 상기 부하에 상대적인 짝힘을 제공하기 위한 힘의 공급원;
    잠금장치가 잠겨져 있는 경우 이동범위 내에서 상기 잠금장치의 위치를 고정시키는 잠금장치를 포함하며, 축에 대한 상대적인 이동범위를 상기 부하에 제공하기 위한 컴플라이언스 유닛; 그리고
    상기 잠금장치가 잠겨진 상태일 경우 상기 부하를 상기 축의 방향으로 이동시키기 위해서 상기 컴플라이언스 유닛과 결합되는 구동 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 잠금장치가 풀려져 있는 상태인 경우, 구동유닛이 상기 잠금장치를 구동시키는 결과로, 상기 잠금장치의 위치가 상기 이동범위 내에서 변화할 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  24. 제22항에 있어서,
    상기 부하의 축은 회전축인 것을 특징으로 하는 장치.
  25. 제22항에 있어서,
    상기 컴플라이언스 유닛은 상기 이동범위의 각각의 단부에 정지부재를 포함하며, 상기 잠금장치는 상기 정지부재들 사이에 위치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 잠금장치가 상지 정지부재들 중 하나와 접촉하는 경우, 상기 잠금장치가 풀려진 상태에서 상기 구동 유닛은 상기 부하를 상기 축의 방향으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 장치.
  27. 제22항에 있어서,
    상기 구동유닛은 동력이 공급되는 것을 특징으로 하는 장치.
  28. 부하를 지지하기 위한 장치로:
    상기 부하가 상기 부하의 축에 상대적으로 불균형하기 때문에 힘이 발생하며, 상기 부하로부터 얻어진 힘을 감지하는 힘 센서;
    상기 힘 센서로부터 감지된 상기 힘에 응답하여 상기 부하에 상대적인 짝힘을 제공하기 위한 힘의 공급원;
    상기 축에 대한 상대적인 이동범위를 상기 부하에 제공하기 위한 컴플라이언스 유닛; 그리고
    상기 부하를 상기 축의 방향으로 이동시키기 위해서 상기 컴플라이언스 유닛에 결합되며, 상기 힘의 공급원과는 독립적으로 제어되는 구동유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 축은 회전축인 것을 특징으로 하는 장치.
  30. 제28항에 있어서,
    잠겨진 상태일 경우 상기 이동범위가 위치되는 위치를 고정시키기 위한 잠금장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  31. 제28항에 있어서,
    상기 컴플라이언스 유닛은 상기 이동범위의 각 단부에서 정지부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  32. 제28항에 있어서,
    상기 구동 유닛은 동력이 공급되는 것을 특징으로 하는 장치.
  33. 부하를 지지하기 위한 장치로:
    상기 부하를 지지하기 위한 지지구조물;
    상기 지지구조물에 이동범위를 제공하기 위해서 지지구조물과 결합되며, 잠금장치가 잠겨진 상태일 경우 상기 이동범위 내에서 상기 지지구조물의 위치를 유지하기 위한 상기 잠금장치를 포함하는 컴플라이언스 유닛;
    상기 지지구조물을 일 방향으로 구동시키기 위해서 상기 컴플라이언스 유닛과 결합되며, 상기 잠금장치가 잠겨진 상태일 경우 상기 지지구조물을 구동시킴으로써 상기 이동범위가 위치되는 위치를 변화시키는 구동 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  34. 제33항에 있어서,
    상기 잠금장치가 풀려진 상태일 경우 상기 구동장치가 상기 잠금장치를 구동시킴으로써 상기 이동범위내에서 상기 잠금장치의 위치가 변화될 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  35. 제33항에 있어서,
    상기 컴플라이언스 유닛은 상기 이동범위의 각 단부에 정지부재를 포함하며, 상기 잠금장치는 상기 정지부재들 사이에 위치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  36. 제35항에 있어서,
    상기 잠금장치가 상기 정지부재들 중 하나와 접촉할 경우 상기 구동유닛은 잠금장치가 풀려진 상태에서 상기 부하를 상기 방향으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 장치.
  37. 제33항에 있어서,
    상기 구동유닛은 동력이 공급되는 것을 특징으로 하는 장치.
  38. 부하를 지지하기 위한 장치로:
    상기 부하를 지지하기 위한 지지구조물;
    상기 지지구조물에 이동범위를 제공하기 위해서 상기 지지구조물과 결합되며, 잠금장치가 잠겨진 상태일 경우 컴플라이언스 샤프트의 위치에 대해서 상기 지지구조물의 위치를 유지시키기 위하여 잠금장치를 포함하는 컴플라이언스 샤프트; 그리고
    상기 지지구조물을 한 방향으로 이동시키기 위해서 상기 잠금장치에 결합되며, 상기 잠금장치가 잠겨진 상태일 경우 상기 지지구조물을 이동시킴으로써 상기 이동범위의 위치를 변화시키는 액츄에이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  39. 제38항에 있어서,
    상기 이동범위 내에서의 상기 잠금장치의 위치는, 상기 잠금장치가 풀려진 상태일 경우 상기 액츄에이터가 상기 잠금장치를 구동시킴으로써 변화될 수 있는것을 특징으로 하는 장치.
  40. 제38항에 있어서,
    상기 컴플라이언스 유닛은 상기 이동범위의 각 단부에 정지부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  41. 부하를 지지하기 위한 장치로:
    상기 부하를 지지하기 위한 지지구조물;
    상기 지지구조물에 이동범위를 제공하기 위해서 상기 지지구조물과 결합되는 컴플라이언스 샤프트; 그리고
    상기 지지구조물을 일 방향으로 구동시키기 위해서 상기 컴플라이언스 샤프트에 결합되는 액츄에이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  42. 부하를 지지하기 위한 장치로:
    상기 부하를 지지하기 위한 지지구조물;
    상기 지지구조물에 이동범위를 제공하기 위해서, 상기 잠금장치가 잠겨진 상태일 경우 컴플라이언스 샤프트에 대해서 상기 지지구조물의 상대적인 위치를 유지시키는 잠금장치를 통해서 상기 지지구조물과 결합되는 컴플라이언스 샤프트; 그리고
    상기 지지구조물을 일 방향으로 구동시키기 위해서 상기 컴플라이언스 샤프트에 결합되며, 상기 잠금장치가 잠겨진 상태일 경우 상기 지지구조물을 구동시킴으로써 상기 이동범위의 위치를 변화시키는 액츄에이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  43. 제42항에 있어서,
    상기 컴플라이언스 유닛은 상기 이동범위의 각 단부에 정지부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  44. 제42항에 있어서,
    상기 액츄에이터는 동력이 공급되는 것을 특징으로 하는 장치.
  45. 부하를 한 방향으로 지지하기 위한 장치로:
    상기 방향으로 상기 부하를 압박함으로써 발생하는 상기 방향으로의 힘을 감지하는 힘 센서;
    상기 힘 센서에 의해서 감지된 상기 힘에 응답하여 짝힘을 제공하기 위한 힘의 공급원;
    상기 부하에 상기 방향으로 이동범위를 제공하며, 상기 잠금장치가 잠겨진 상태일 경우 상기 이동범위의 내에서 상기 잠금장치의 위치를 고정시키기 위한 잠금장치를 포함하는 컴플라이언스 유닛; 그리고
    상기 잠금장치가 잠겨진 상태일 경우 상기 부하를 상기 방향으로 구동시키기 위해서, 상기 컴플라이언스 유닛에 결합된 상기 힘의 공급원과 독립적으로 제어되는 구동유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  46. 제45항에 있어서,
    상기 이동범위 내에서의 상기 잠금장치의 위치는, 상기 잠금장치가 풀려진 상태일 경우 상기 구동유닛이 상기 잠금장치를 구동시킴으로써 변화될 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  47. 제45항에 있어서,
    상기 이동범위 내에서의 상기 잠금장치의 위치는, 상기 잠금장치가 풀려진 상태일 경우 그리고 상기 부하가 상기 방향으로 실질적으로 무중력상태일 경우 상기 구동유닛이 상기 잠금장치를 구동시킴으로써 변화될 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  48. 제45항에 있어서,
    상기 컴플라이언tm 유닛은 상기 이동범위의 각 단부에 정지부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  49. 제45항에 있어서,
    상기 구동유닛은 동력이 공급되는 것을 특징으로 하는 장치.
  50. 부하를 수직방향으로 조종하기 위한 장치로:
    상기 부하를 수직방향으로 압박함으로써 발생하는 수직방향 힘을 감지하기 위한 힘 센서;
    상기 힘 센서에 의해서 감지된 상기 힘에 응답하여 상기 부하에 상대적인 짝힘을 제공하기 위한 힘의 공급원;
    상기 부하에 상기 수직 방향의 이동범위를 제공하며, 잠금장치를 포함하여 상기 잠금장치가 잠겨진 상태일 경우 상기 이동범위 내에서 상기 잠금장치의 위치를 고정시키도록 하는 컴플라이언스 유닛; 그리고
    상기 잠금장치가 잠겨진 상태일 경우 상기 부하를 상기 수직 방향으로 이동시키기 위해서, 상기 힘의 공급원과 독립적으로 제어되는 구동유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  51. 제50항에 있어서,
    상기 컴플라이언스 유닛은 상기 이동범위의 각 단부에 정지부재를 포함하며, 상기 잠금장치는 상기 정지부재들 사이에 위치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  52. 제51항에 있어서,
    상기 잠금장치가 상기 정지부재들 중 하나와 접촉할 경우, 상기 구동 유닛은 상기 잠금장치가 풀려진 상태에서 상기 부하를 수직방향으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 장치.
  53. 제50항에 있어서,
    상기 구동유닛은 동력이 공급되는 것을 특징으로 하는 장치.
  54. 테스트 헤드 머니퓰레이터에 유지된 전자 테스트 헤드를 전자 디바이스 핸들러에 도킹시키는 방법으로:
    상기 테스트 헤드 머니퓰레이터의 다수의 이동축들 중 적어도 하나의 축을 따라 또는 그 축 주위에 작용하는 불균형 힘의 크기를 측정하는 단계; 그리고
    상기 불균형 힘이 실질적으로 영이 될 때까지 상기 불균형 힘에 짝힘을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  55. 전자 테스트 헤드를 전자 디바이스 핸들러에 도킹시키기 위한 방법으로:
    상기 테스트 헤드의 다수의 이동축들 중 적어도 하나의 축을 따라 또는 그 축 주위에 작용하는 불균형 힘의 크기를 측정하는 단계;
    상기 불균형 힘이 실질적으로 영이 될 때까지 상기 불균형 힘에 짝힘을 제공하는 단계; 그리고
    상기 짝힘이 제공되는 동안 상기 디바이스 핸들러에 대해 상대적인 도킹 위치를 향해서 테스트 헤드를 이동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  56. 테스트 헤드 머니퓰레이터 내에 유지된 전자 테스트 헤드를 전자 디바이스 핸들러에 도킹시키기 위한 방법으로:
    상기 테스트 헤드 머니퓰레이터의 다수의 이동축들 중 적어도 하나의 축을 따라 또는 그 축 주위에 작용하는 불균형 힘의 크기를 측정하는 단계;
    상기 불균형 힘이 실질적으로 영이 될 때까지 상기 불균형 힘에 짝힘을 제공하는 단계; 그리고
    상기 짝힘이 제공되는 동안 상기 디바이스 핸들러에 대한 도킹 위치를 향해서 테스트 헤드를 이동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  57. 테스트 헤드를 핸들러에 도킹시키기 위한 방법으로:
    상기 테스트 헤드의 다수의 이동축들 중 적어도 하나의 축을 따라 작용하는 불균형 힘을 측정하는 단계;
    상기 불균형 힘에 짝힘을 제공하는 단계; 그리고
    상기 테스트 헤드 및 상기 핸들러 중 하나에 부착된 다수의 정렬기구 중 적어도 하나를, 상기 테스트 헤드 및 상기 핸들러 중 다른 하나에 부착된 다수의 정렬 리셉터클 중 적어도 하나와 정렬시키는 단계를 포함하며, 상기 정렬단계는 상기 짝힘이 제공되는 동안 완료되는 것을 특징으로 하는 방법.
  58. 테스트 헤드를 디바이스 핸들러에 도킹시키는 방법으로:
    다음을 포함하는 장치를 제공하는 단계:
    제어기,
    제어기에 의해서 제어되는 액츄에이터를 구비하며, 인터페이스 평면을 규정하는 도킹 장치,
    다음을 구비한 테스트 헤드 머니퓰레이터 :
    인터페이스 평면에 대해서 테스트 헤드가 디바이스 핸들러와 평면화될 수 있도록 하는 2이상의 자유도 이동,
    테스트 헤드가 인터페이스 평면에 수직한 축을 따라 이동될 수 있도록 제어기에 의해서 제어되는 하나 이상의 구동되는 축들;
    테스트 헤드를 도킹 준비 위치로 조종하는 단계;
    테스트 헤드를 평면화 시키는 단계;
    테스트 헤드를 상기 축을 따라 작동 준비 위치로 이동시키는 단계; 그리고
    테스트 헤드가 완전히 도킹된 위치로 당겨지도록 액츄에이터를 작동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  59. 제58항에 있어서,
    상기 테스트 헤드가 상기 완전히 도킹된 위치에 있을 경우 테스트 헤드를 래치 고정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  60. 제58항에 있어서,
    상기 테스트 헤드가 상기 완전히 도킹된 위치에 있을 경우 이동축들을 잠그는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  61. 제58항에 있어서,
    상기 2이상의 자유도에 대응하는 1이상의 축들은 균형이 잡혀져 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  62. 제58항에 있어서,
    상기 2이상의 자유도에 대응하는 1이상의 축들은 컴플라이언트한 것을 특징으로 하는 방법.
  63. 제58항에 있어서,
    상기 2이상의 자유도에 대응하는 1이상의 축들은 제어기에 의해서 구동되고, 제어되는 것을 특징으로 하는 방법.
  64. 제58항에 있어서,
    상기 1이상의 구동되는 축들은 컴플라이언트한 것을 특징으로 하는 방법.
  65. 제58항에 있어서,
    상기 1이상의 구동되는 축들은 균형이 잡혀져 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  66. 제61항에 있어서,
    1개 이상의 균형 잡혀진 축들은 균형 유닛에 의해서 균형이 맞춰지는 것을 특징으로 방법.
  67. 제65항에 있어서,
    1개 이상의 균형 잡혀진 축들은 균형 유닛에 의해서 균형이 맞춰지는 것을 특징으로 방법.
  68. 테스트 헤드를 디바이스 핸들러에 도킹시키기 위한 방법으로:
    다음을 포함하는 장치를 제공하는 단계:
    제어기,
    인터페이스 평면을 규정하는 도킹 장치,
    다음을 구비한 테스트 헤드 머니퓰레이터 :
    인터페이스 평면에 대해서 테스트 헤드가 디바이스 핸들러와 평면화될 수 있도록 하는 2이상의 자유도 이동,
    테스트 헤드가 인터페이스 평면에 수직한 축을 따라 이동될 수 있도록 제어기에 의해서 제어되는 하나 이상의 구동되는 축들;
    테스트 헤드를 도킹 준비 위치로 조종하는 단계;
    테스트 헤드를 평면화 시키는 단계;
    테스트 헤드를 상기 축을 따라 완전히 도킹된 위치로 이동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  69. 제68항에 있어서,
    상기 완전히 도킹된 위치에서 도크를 래치 고정시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  70. 제68항에 있어서,
    테스트 헤드가 상기 완전히 도킹된 위치에 있을 경우 상기 구동되는 축들을 잠그는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  71. 제68항에 있어서,
    상기 2이상의 자유도에 대응하는 상기 1이상의 축들은 균형이 맞춰져 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  72. 제68항에 있어서,
    상기 2이상의 자유도에 대응하는 상기 1이상의 축들은 컴플라이언트 상태인 것을 특징으로 하는 방법.
  73. 제68항에 있어서,
    상기 2이상의 자유도에 대응하는 상기 1이상의 축들은 제어기에 의해서 구동되고 제어되는 것을 특징으로 하는 방법.
  74. 제68항에 있어서,
    상기 1 이상의 구동되는 축들은 컴플라이언트 상태인 것을 특징으로 하는 방법.
  75. 제68항에 있어서,
    상기 1 이상의 구동되는 축들은 균형이 잡혀져 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  76. 제71항에 있어서,
    상기 1 이상의 균형이 잡힌 축들은 균형 유닛에 의해서 균형이 맞춰지는 것을 특징으로 하는 방법.
  77. 제75항에 있어서,
    상기 1 이상의 균형이 잡힌 축들은 균형 유닛에 의해서 균형이 맞춰지는 것을 특징으로 하는 방법.
  78. 제54항에 있어서,
    상기 테스트 헤드가 도킹되는 동안 상기 짝힘을 유지시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  79. 제54항에 있어서,
    상기 짝힘의 양을 기록하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  80. 제54항에 있어서,
    상기 테스트 헤드의 도킹을 해제시키기 전에 상기 짝힘을 다시 가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  81. 제54항에 있어서,
    상기 짝힘을 공압 실린더에 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  82. 제81항에 있어서,
    상기 짝힘을 발생시키는 공기 압력을 측정하고 기록하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  83. 제81항에 있어서,
    상기 테스트 헤드가 도킹되는 동안 상기 공압 실린더에 가해진 공기 압력을유지시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  84. 제81항에 있어서,
    상기 테스트 헤드의 도킹을 해제시키기 전에 상기 공압 실린더에 공기 압력을 저장하고 다시 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  85. 제55항에 있어서,
    상기 테스트 헤드가 도킹되는 동안 상기 짝힘을 계속 유지시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  86. 제55항에 있어서,
    상기 짝힘의 양을 기록하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  87. 제55항에 있어서,
    상기 테스트 헤드의 도킹을 해제시키기 전에 상기 짝힘을 다시 가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  88. 제55항에 있어서,
    상기 짝힘을 공압 실린더에 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  89. 제88항에 있어서,
    상기 짝힘을 발생시키는 공기 압력을 측정하고 기록하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  90. 제88항에 있어서,
    상기 테스트 헤드가 도킹되는 동안 상기 공압 실린더에 가해진 공기 압력을 유지시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  91. 제88항에 있어서,
    상기 테스트 헤드의 도킹을 해제시키기 전에 상기 공압 실린더에 공기 압력을 저장하고 다시 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  92. 제56항에 있어서,
    상기 테스트 헤드가 도킹되는 동안 상기 짝힘을 계속 유지시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  93. 제56항에 있어서,
    상기 짝힘의 양을 기록하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  94. 제56항에 있어서,
    상기 테스트 헤드의 도킹을 해제시키기 전에 상기 짝힘을 다시 가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  95. 제56항에 있어서,
    상기 짝힘을 공압 실린더에 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  96. 제95항에 있어서,
    상기 짝힘을 발생시키는 공기 압력을 측정하고 기록하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  97. 제95항에 있어서,
    상기 테스트 헤드가 도킹되는 동안 상기 공압 실린더에 가해진 공기 압력을 유지시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  98. 제95항에 있어서,
    상기 테스트 헤드의 도킹을 해제시키기 전에 상기 공압 실린더에 공기 압력을 저장하고 다시 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  99. 제57항에 있어서,
    상기 테스트 헤드가 도킹되는 동안 상기 짝힘을 계속 유지시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  100. 제57항에 있어서,
    상기 짝힘의 양을 기록하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법
  101. 제57항에 있어서,
    상기 테스트 헤드의 도킹을 해제시키기 전에 상기 짝힘을 다시 가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  102. 상기 57항에 있어서,
    상기 짝힘을 공압 실린더에 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  103. 제102항에 있어서,
    상기 짝힘을 발생시키는 공기 압력을 측정하고 기록하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법
  104. 제102항에 있어서,
    상기 테스트 헤드가 도킹되는 동안 상기 공압 실린더에 가해진 공기 압력을 유지시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  105. 제102항에 있어서,
    상기 테스트 헤드의 도킹을 해제시키기 전에 상기 공압 실린더에 공기 압력을 저장하고 다시 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  106. 제1항에 있어서,
    잠금장치를 더 포함하며, 상기 잠금장치가 잠겨진 상태일 경우 상기 힘의 공급원에 대한 상기 부하의 이동을 억제시키는 것을 특징으로 하는 장치.
  107. 제4항에 있어서,
    잠금장치를 더 포함하며, 상기 잠금장치가 잠겨진 상태일 경우 상기 힘 발생기에 대한 상기 부하의 이동을 억제시키는 것을 특징으로 하는 장치.
  108. 제66항에 있어서,
    상기 테스트 헤드가 도킹되는 동안, 상기 1이상의 균형 잡힌 축들의 균형을 맞추기 위해서 상기 균형 유닛에 의해서 제공되는 짝힘을 계속 유지시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  109. 제66항에 있어서,
    상기 1이상의 균형 잡힌 축들의 균형을 맞추기 위해서 상기 균형 유닛에 의해서 제공되는 짝힘의 양을 기록하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  110. 제66항에 있어서,
    상기 테스트 헤드의 도킹을 해제시키기 전에 상기 1이상의 균형 잡힌 축들의 균형을 맞추기 위해서 상기 균형 유닛에 의해서 제공되는 짝힘을 다시 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  111. 제66항에 있어서,
    상기 1이상의 균형 잡힌 축들의 균형을 맞추기 위해서 상기 균형 유닛에 의해서 제공되는 짝힘을 공압 실린더에 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  112. 제111항에 있어서,
    상기 짝힘을 발생시키는 공기 압력을 측정하고 기록하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 방법.
  113. 제111항에 있어서,
    상기 테스트 헤드가 도킹되는 동안 상기 공압 실린더에 가해진 공기 압력을 계속 유지시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  114. 제111항에 있어서,
    상기 테스트 헤드의 도킹을 해제시키기 전에, 상기 공압 실린더에 상기 공기 압력을 저장하고 다시 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  115. 제67항에 있어서,
    상기 테스트 헤드가 도킹되는 동안, 상기 1이상의 균형 잡힌 축들의 균형을 맞추기 위해서 상기 균형 유닛에 의해서 제공되는 짝힘을 계속 유지시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  116. 제67항에 있어서,
    상기 1이상의 균형 잡힌 축들의 균형을 맞추기 위해서 상기 균형 유닛에 의해서 제공되는 짝힘의 양을 기록하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  117. 제67항에 있어서,
    상기 테스트 헤드의 도킹을 해제시키기 전에 상기 1이상의 균형 잡힌 축들의 균형을 맞추기 위해서 상기 균형 유닛에 의해서 제공되는 짝힘을 다시 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  118. 제67항에 있어서,
    상기 1이상의 균형 잡힌 축들의 균형을 맞추기 위해서 상기 균형 유닛에 의해서 제공되는 짝힘을 공압 실린더에 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  119. 제118항에 있어서,
    상기 짝힘을 발생시키는 공기 압력을 측정하고 기록하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 방법.
  120. 제118항에 있어서,
    상기 테스트 헤드가 도킹되는 동안 상기 공압 실린더에 가해진 공기 압력을 계속 유지시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  121. 제118항에 있어서,
    상기 테스트 헤드의 도킹을 해제시키기 전에, 상기 공압 실린더에 상기 공기 압력을 저장하고 다시 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  122. 제76항에 있어서,
    상기 테스트 헤드가 도킹되는 동안, 상기 1이상의 균형 잡힌 축들의 균형을 맞추기 위해서 상기 균형 유닛에 의해서 제공되는 짝힘을 계속 유지시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  123. 제76항에 있어서,
    상기 1이상의 균형 잡힌 축들의 균형을 맞추기 위해서 상기 균형 유닛에 의해서 제공되는 짝힘의 양을 기록하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  124. 제76항에 있어서,
    상기 테스트 헤드의 도킹을 해제시키기 전에 상기 1이상의 균형 잡힌 축들의 균형을 맞추기 위해서 상기 균형 유닛에 의해서 제공되는 짝힘을 다시 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  125. 제76항에 있어서,
    상기 1이상의 균형 잡힌 축들의 균형을 맞추기 위해서 상기 균형 유닛에 의해서 제공되는 짝힘을 공압 실린더에 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  126. 제125항에 있어서,
    상기 짝힘을 발생시키는 공기 압력을 측정하고 기록하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 방법.
  127. 제125항에 있어서,
    상기 테스트 헤드가 도킹되는 동안 상기 공압 실린더에 가해진 공기 압력을 계속 유지시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  128. 제125항에 있어서,
    상기 테스트 헤드의 도킹을 해제시키기 전에, 상기 공압 실린더에 상기 공기 압력을 저장하고 다시 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  129. 제77항에 있어서,
    상기 테스트 헤드가 도킹되는 동안, 상기 1이상의 균형 잡힌 축들의 균형을 맞추기 위해서 상기 균형 유닛에 의해서 제공되는 짝힘을 계속 유지시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  130. 제77항에 있어서,
    상기 1이상의 균형 잡힌 축들의 균형을 맞추기 위해서 상기 균형 유닛에 의해서 제공되는 짝힘의 양을 기록하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  131. 제77항에 있어서,
    상기 테스트 헤드의 도킹을 해제시키기 전에 상기 1이상의 균형 잡힌 축들의 균형을 맞추기 위해서 상기 균형 유닛에 의해서 제공되는 짝힘을 다시 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  132. 제77항에 있어서,
    상기 1이상의 균형 잡힌 축들의 균형을 맞추기 위해서 상기 균형 유닛에 의해서 제공되는 짝힘을 공압 실린더에 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  133. 제132항에 있어서,
    상기 짝힘을 발생시키는 공기 압력을 측정하고 기록하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 방법.
  134. 제132항에 있어서,
    상기 테스트 헤드가 도킹되는 동안 상기 공압 실린더에 가해진 공기 압력을 계속 유지시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  135. 제132항에 있어서,
    상기 테스트 헤드의 도킹을 해제시키기 전에, 상기 공압 실린더에 상기 공기 압력을 저장하고 다시 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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