专利名称：用于定位测试头的肘节接头的制作方法
技术领域：
本发明涉及测试头定位器系统，更具体地涉及使测试头绕轴线旋转的测试头定位器系统。特别是，定位器系统通过远离测试头旋转轴线的柔性接头的运动使测试头旋转。
背景技术：
在制造集成电路(IC)以及其它电子器件时，在整个工艺的一个或多个阶段利用自动测试机(ATE)进行测试。采用专用处理设备将待测试器件(DUT)置于测试位置。在一些情况下，专用处理设备也可以将DUT加热到适当温度和/或保持在测试的适当温度。专用处理设备具有多种类型，包括测试晶片上未封装器件的“探针”，以及测试封装部分的“器件处理器”。这里，“外围设备”用于指这种设备的所有类型。电子测试本身是由大型和贵重ATE系统提供的。DUT需要精确的高速信号进行高效测试，因此，ATE内用于测试DUT的“测试电子设备”通常位于测试头中，测试头的定位必须尽可能靠近DUT。测试头非常重，测试头的尺寸和重量已经从几百磅增加到高达三百到四百磅。
为了使用测试头测试集成电路，测试头通常“对接”在外围设备上。对接后，测试头必须尽可能靠近外围设备的测试位置，以便将信号衰减减小到最低程度。测试头定位系统可以用于测试头在外围设备上的定位，并且可以实现测试头在多种外围设备上的灵活对接和分离。测试头定位系统也可以称为测试头定位器或测试头操纵器。
测试头通常安装在支架上，使测试头绕枢轴转动，从而对准外围设备。因此，为了保证恰当取向，需要测试头能在支架内顺从地绕枢轴转动。支架中测试头的顶视图表示在图24A中，其中测试头110位于支架200内。换言之，支架200环绕着测试头110。侧视图表示在图24B到24D。在图24B中，测试头110相对于支架200水平取向。如图24C和24D所示，测试头110可以从水平位置逆时针或顺时针转动。并且，在这种方式下，测试头110的对接面的取向可以平行于外围设备的对应对接面，这并未图示。
在一些应用中，特别是随着测试头变得更加复杂，测试头110的宽度可以非常大。因此，由于外围设备提出的物理限制，测试头110可以大到简直没有空间使支架位于测试头侧面。虽然利用测试头内部装的枢轴机构支撑测试头的测试头安装方案是公知的(WIPO WO 01/04644和WIPOWO 02/025292)，但它们所具有的不希望的性能是占据了测试头内部宝贵的空间，而这是测试电子设备需求的。
发明内容
一种支撑负载的装置，包括连接负载并可以与负载一起运动的枢转装置；以及相对于所述枢转装置固定的基部。在所述枢转装置与所述基部之间具有至少两个支撑区。相反的分力分别作用在所述两个支撑区。所述两个支撑区沿一个弯曲的路径运动，使所述负载倾斜。
图1A是显示根据本发明一个典型实施例，测试头与一部分测试头定位器的不同取向的侧视图；图1B-1D是本发明典型实施例的相应侧视图，显示图1A所示的不同取向的测试头，还显示作用在测试头上的力；图2A-2C是根据本发明一个典型实施例，测试头按不同取向装在测试头操纵器上的侧视图；图3是图2A-2C中装在定位器系统上的测试头的透视图；图4是图3所示系统中使用的操纵器接头的分解图；图5是操纵器接头中包括的导向板和安装板的透视图；图6是显示图5中导向板和安装板的透视图，还显示支承板和相关的机械零件；图7是外壳的透视图；图8A是外壳的顶视图；图8B是外壳的剖视正视图；图8C是一部分图8B的放大图；图9是显示凸轮如何啮合引导板中的轨道部分的剖开示意图；图10A是根据本发明另一个典型实施例的测试头的侧视图；图10B和10C显示图10A的测试头处于不同取向；图10D是显示如何通过旋转测试头移动图10A所示测试头的重心的示意图；图11是根据本发明另一个典型实施例的测试头和定位器系统的透视图；图12是图11所示测试头和定位器系统的另一个透视图；图13是与图11和12所示典型实施例一起使用的保持块的透视图；图14是与图11和12所示典型实施例一起使用的调节螺母组件的透视图；图15是根据图11和12所示典型实施例使用的杠杆机构的分解图；图16A-16C显示图15的杠杆机构处于不同取向；图17A-17E是图11和12所示测试头和定位器系统的侧视图，其中测试头和接头处于各个不同结构；图18是显示根据图2A-2C、3和4所示典型实施例的辊锁板(rolllock plate)和测试头安装板的透视图；图19是显示图10A-10D、11-16和17A-17E的另外典型实施例的透视图，并且还显示上述图所示的结构如何与定位器系统一起使用；图20、21、22和23是四种结构的透视图，其中具有提供两转轴的两个远轴转动接头；图24A-24D是显示现有技术支架上的测试头的现有技术图。
具体实施例方式
在二维空间中的本发明典型概念实施例表示在图1A所示的部分视图中。图1A表示测试头110通过枢转装置(“肘节关节”)300连接在定位器系统115上，枢转装置300包括耳轴305。但可以理解的是，测试头110可以替换成任何负载。在图1A中，表示了典型测试头110的三个可能取向。测试头110连接到耳轴305，耳轴305可以包括位于弯曲路径120中的圆形件(例如，支承轮或凸轮跟随器128a和128b)。在另一个实施例中，圆形件可以替换为其它结构零件(例如，滑动件)，使耳轴305保持在弯曲路径120中。
在第一取向，图示的测试头110处于水平结构。在第二取向，测试头110前部向上倾斜(并且测试头110后部向下倾斜)，从而测试头110相对于第一取向逆时针转动。而且，从图中可以看出，测试头并不在支架内绕枢轴转动。换言之，支架没有沿着具有测试头可以绕着其转动的侧枢轴点的测试头侧面延伸。相反，为使测试头从第一取向倾斜到第二取向，耳轴组件305沿弯曲路径120(例如，按圆形方式)从第一取向移动到第二取向。而且，如图1A所示，测试头110能转动到第三取向，其中测试头110前部向下倾斜(并且测试头110的后部向上倾斜)，从而测试头110相对于第一取向顺时针转动。这是通过耳轴组件305运动到第三取向完成的。并且，由于耳轴组件305能沿图示方式运动，因此支架不必沿着测试头110侧面设置以及测试头110在其中转动。因此，使用支架是选择性的，并且在一些情况下，可以全部省略。
为了进行解释，定位器系统115包括耳轴组件305和基部125。基部125可以包括本领域内公知的任何定位器系统的元件。典型的基部系统请参见例如美国专利4527942。这里示出基部125仅是为了解释说明。并且，仅仅示出了部分基部125。耳轴组件305沿基部125内形成的弯曲路径120运动，同时基部125相对于耳轴组件305保持固定。
在图1A中，为了有效地表示装置的运动，轮或凸轮跟随器128a和128b相对靠近在一起地分开。图1B、1C和1D表示出略微修改概念实施例，其中为了更好地表示作用在测试头110上的力，轮或凸轮跟随器128a和128b分开远一些。
图1B、1C和1D表示出作用在测试头上的各种力。在这些图中以及在随后描述的优选实施例中，弯曲路径120是圆的部分圆弧(其它实施例可以包括不是圆弧的弯曲路径，这将在下面描述)。圆弧按要求处于垂直面。测试头110、耳轴组件305和轮128a和128b的组合重量由作用在组件重心CG的力箭头W表示。系统构成为使重心CG位于形成弯曲路径120的同心圆弧121a和121b的中心。如图所示，轮128a骑在内侧弧121a上，作用在耳轴305的反作用力3B经过轮128a(或另一个圆形件)和圆弧121a之间的接触点(或支撑区)沿径向指向外。因此，此反作用力存在于耳轴305和基部125之间的支撑区。同样地，轮128b骑在外侧弧121b上，作用在耳轴305的反用作力2B经过轮128b和圆弧121b之间的接触点(或支撑区)沿径向指向内。此反作用力也存在于耳轴305和基部125之间的支撑区。可以看出，两个反作用力2B和3B支撑测试头110并且必需经过重心CG。因为路径120是一段圆弧，所以在所有位置这都是正确的(其中测试头从图1B的水平位置转动小于±90°)。这样，围绕负载110的重心CG没有力矩。因此，需要转动测试头的力仅是克服系统的摩擦所需的力。并且，测试头110在所有位置处于静力平衡状态。
可以理解的是，两个(或多个)轮128a和128b可以替换为单个(或多个)滑动件。
因此，旋转接头具有的特性是，它允许负载绕枢轴转动，而枢轴处于距离接头接触的可移动点较远的位置。这种负载的转动(沿任何方向)可以使负载倾斜。实际上，一个各处都平行于枢轴的表面插在枢轴与接头可运动部分之间的接触区之间。另外，如上所述，接头的另外特性是，如果枢轴水平并经过负载的重心，就能支撑负载。这允许使用仅仅足以克服系统摩擦力的外部作用力即可使负载枢轴转动。在这种情况下，负载相对于枢轴是平衡的，如同负载被位于经过重心的水平线上的旋转轴承支撑一样。作为实际情况，构建一个系统使反作用力2B和3B准确经过重心CG是困难的。反作用力2B和3B在转动中心相交。如果转动中心不与重心精确一致，只要围绕重心得到的力矩不足以克服静摩擦力，负载也仍能保持在固定位置。如果不是这种情况，则负载110将沿一个方向转动，从而将重心CG置于转动中心下面。如上所述，实用的实施例可以包括辅助施力装置，用于补偿移离转动中心的重心。具有上述特性的旋转接头可以称为“远轴转动接头”。为了在此文件中简化，使用术语“肘节接头”或“肘节组件”表示基本具有相同或相似特性的接头，但需要时将使用更加准确的术语和描述。
参看图2A到9和图18描述肘节接头的实用实施例。图3给出一种包括肘节接头的测试头定位器的透视图。图2A到2C是系统的侧视图，表示由于肘节接头运动处于三个不同取向的测试头。
图2A表示测试头110处于基本水平的位置。对比之下，在图2B中，测试头110绕旋转轴250转到与图1A类似的第二取向。相反，如图2C所示，测试头110再次绕旋转轴250转到与图1A类似的第三取向。
图3是装在定位器系统115的测试头110的透视图。通过根据本发明一个典型实施例的肘节组件300，测试头110装在定位器系统115上。
参考图4到7、8A到8C、9和18说明肘节组件300的各个特征。
图4是表示肘节组件300各个部分的分解图。如图4和5所示，其中包括导向板9a和9b。导向板9a和9b固定到安装板7b的相应一侧(图5中不能看到)，从而它们从此处向前伸出。安装板7b本身装在圆柱体7a上。圆柱体7a包括中空的圆柱形通道，由此通过适当的圆柱件(未图示)将其装在定位器系统115的其余部分。这样，圆柱件(未图示)穿过圆柱体7a中形成的通道，从而圆柱体7a能绕圆柱件转动。
导向板9a和9b可以利用例如连接螺钉26装到安装板7b上。接着，如图4和6所示，使用连接螺钉29将轴承板23装到导向板9a和9b顶部。轴承板23包括可以装入轴承23a的孔。轴件(例如，螺杆)21穿过轴承23a并利用辊销50装到旋钮20上。从轴承23a中穿过的螺杆21末端形成台阶，具有在轴承23a内紧密配合的小直径。垫圈36可以放在轴承板23下面的螺杆21的小直径部分上，并通过台阶保持在其位置上。其中还包括专用的调节螺母17。调节螺母17包括一个螺纹孔。这样，螺杆21穿过(并啮合)调节螺母17的螺纹孔，接着穿过轴承23a，然后装到旋钮20上。在调节螺母17的每一侧具有平垫片48a，b以及凸轮跟随器39a，b(注意39b和48b在图4中不能看到，48b在图6中不能看到)。下面说明凸轮跟随器39a，b的功能。
从图4和7可以看出，调节螺母17如何连接到肘节外壳11上。特别是，水平槽或通道351(不能看到)和352包括在肘节外壳11的孔350中。凸轮跟随器39a，b位于其中并能在这些槽中前后运动。通道盖18a，b将凸轮跟随器39a，b保持在通道351和352中。将凸轮跟随器39a，9b插入这些槽之后，将调节螺母盖18a，b置于顶部，使用调节螺栓27将它们固定在其位置上。
如图4和7所示，其中包括轨道辊组件40a，b，c，d(40b和40c不能看到)。轨道辊组件40a-d在相应的切口80a，b，c，d处装在肘节外壳11上。轨道辊组件40a-d可以通过垫片14(图7不能看到)装在相应的切口80a-d。一种典型的轨道辊组件是Pacific Bearing of Rockford，IL(代表性零件编号HVB-053)制造的组合轴承系统。另外，每个轨道辊组件或轴承系统可以替换为一个垂直于另一个的一对轴承或凸轮跟随器。
下面参考图4、8A、8B、8C和9更加详细地描述肘节外壳11连接到导向板9a，b的方式。每个导向板9a、9b包括相应的切口70a、70b、71a、71b。每个轨道辊组件40a、40b、40c、40d在相应的切口70a、70b、71a、71b中滑动。切口70a、70b、71a、71b在一个典型实施例中是圆弧。因此，轨道辊组件40a-d沿圆形路径运动，其圆心是测试头的转动中心。这样，如图9所示，轨道辊组件40a能在切口70a中滑动。轨道辊组件40a，b，c，d和切口70a，b，71a，b之间的关系还表示在图8B的剖视图中。此外，当轴承板23装到导向板9a、9b时，凸轮跟随器39a、39b由于包含在通道351、352以及装在通道351、352上方的通道盖18a、18b内，从而装到肘节外壳11上。
一种倾斜测试头的方式是转动旋钮20。当转动旋钮20时，螺杆21也转动。在本发明的一个典型实施例中，旋钮20不相对于轴承板23垂直运动。因此，当螺杆21转动时，调节螺母17沿螺杆21的螺纹运动。当转动旋钮20时，调节螺母17朝向旋钮20运动或离开旋钮20。此外，当调节螺母17朝向旋钮20运动或离开旋钮20时，具有轨道辊组件40a，b，c，d的肘节外壳11沿轨道切口70a，b，71a，b运动。在这种方式下，测试头110倾斜。因此，该机构允许在该机构设计运动范围允许的范围内将负载手工转动到任何角度位置。并且，可以理解的是，旋钮20可以替换为或增加电动驱动，从而可以提供摇控或自动定位。在这样的驱动应用中，可以不需要平衡，相应地，转动中心可以置于负载重心以外的位置，这对于特殊应用是有优势的。
在本发明的另一个实施例中，止推垫圈36顶部与旋钮20底部之间的距离大于轴承板23的厚度。因此，轴承板23能沿此空间运动。这允许肘节外壳11与导向板9a，b之间有小的运动。换言之，可以用手稍微移动肘节外壳11。这对于顺从性是有用的。因此，包括轴承板23、螺杆21、调节螺母17和相关硬件的调节机构可以用于首先手工将负载的角度调节到与目标外围设备对接所需的角度附近。接着，当启动对接机构时，测试头可以根据需要顺从地转动，到达其最终的精确对接位置。
虽然上述典型实施例包括的调节机构具有轴承板23、螺杆21、调节螺母17和相关硬件，但这些零件可以删除，特别是当测试头绕其重心转动时。另外，图示的调节机构可以替换为提供测试头110运动控制的不同调节机构。
当然，如果去除调节机构，则可以用手压力或一些其它外力使肘节外壳11在导向板9a，b内运动。在这种方式下，测试头110是用手倾斜的。
此外，如图4所示，可以在导向板9a，b上分别安装柱67a，b和柱端68a，b。调节螺杆22通过支架19和安装螺栓28装在肘节外壳11的每一侧。螺杆22拧过两个螺母34，支架19的每一侧有一个，从而使螺杆22的位置可以调节。在柱端67a，b与螺杆22之间可以装弹簧。在图4中，仅表示出一个螺杆22。螺杆22包括一个小孔，可以插入弹簧的一端(未图示)。弹簧的另一端装到柱67a。在肘节外壳11另一侧可以装到柱67b的弹簧也未表示。实际上，螺杆22啮合弹簧固定块19上方和下方的螺母34。这样，通过转动螺杆22，螺杆22在弹簧固定块19内上下运动。以这种方式，连接在螺杆22和柱67a之间的弹簧可以伸长和压缩，用于调节其施加的作用力。当测试头的重心与测试头绕其旋转的轴线不重合时，使用弹簧特别有用。弹簧的作用力可以调节，从而当负载处于所需的名义位置时，绕其重心的力矩为零，从而形成静平衡的状态以及使用很小的力即可转动的状态。如图所示，柱67a，b可重新定位在孔69a，b中，弹簧固定块19和相关的零件也相应地重新定位到安装孔70a，b。当需要重心与旋转轴线之间偏移时，这可以用于提供向下的弹簧作用力(而不是柱67a，b在图示位置提供的向上的弹簧作用力)。
如图18所示，辊锁板63装在肘节外壳11前部。辊锁板63和测试头安装板61也表示在图4中。测试头安装板61通过螺栓31装在测试头110上。在测试头安装板61和测试头之间可以安装其它的间隔结构(未图示)。锁板63、辊板61和相关的零件是肘节组件300转动的负载的所有部分，当确定重心时它们必须与测试头110组合在一起。肘节轴5可以装在测试头安装板61上。肘节轴5穿过肘节外壳11中的止推轴承6和孔75。接着，肘节轴5穿过肘节外壳11的后部，再连接到垫片41和轴挡圈4上。在这种方式下，测试头安装板61能绕着基本垂直于肘节接头运动产生的旋转轴的轴线转动。螺栓5a穿过测试头安装板61并啮合肘节轴5，实现将肘节轴5安装到测试头安装板61上。而且，如图4所示，锁紧螺栓1穿过测试头安装板61的孔1a以及辊锁板63的锁槽65。通过操作扳手3，摇把挡12将测试头安装板61朝辊锁板63拉动，以便固定测试头安装板61相对于辊锁板63的位置。
本发明另一个典型的说明性实施例表示在图10A中。此实施例也包括通过旋转接头机构(或“肘节接头”)310连接到定位器115的测试头110，旋转接头机构310替换了先前的肘节接头300。定位器115包括基部125，地面连杆160已经装在上面。实际上，地面连杆160可以是基部125的集成部分。并且，仅表示出一部分基部125。肘节接头310包括下转动连杆130和上转动连杆140，它们都从地面连杆160上伸出。下转动连杆130和上转动连杆140的每一个都通过轴承150可转动地连接到地面连杆160。由于通过轴承150装到地面连杆160上，因此下转动连杆130和上转动连杆140能朝向地面连杆160转动以及离开地面连杆160。
下转动连杆130和上转动连杆140通过另外的轴承150可转动地连接到负载承载连杆120。因此，当下转动连杆130和上转动连杆140上下转动时，负载承载连杆120能运动。如此说明性实施例所示，测试头110刚性连接到负载承载连杆120。负载承载连杆120具有与图1A-D所示的实施例的耳轴300相同的功能(实际上，在负载承载连杆120和测试头110之间可以放置提供额外运动例如滚动的机构)。
图10A的结构处于静平衡结构，这将在下面描述。作用在负载(测试头110)的力是箭头W表示的作用在重心CG的重量、以及箭头2A和3A表示的作用在负载承载连杆120的反用作力，该反作用力分别是通过连接轴承150从转动连杆130和140传递来的。参考线901a和901b的交点用于表示一个典型的重心CG。虚线参考线903a是由将转动连杆140连接到地面连杆160和负载承载连杆120的两个旋转轴承150的中心形成的，同样地，虚线参考线903b是由将转动连杆130连接到地面连杆160和负载承载连杆120的两个旋转轴承150的中心形成的。由于转动连杆130和140在每个末端被轴承150有效地固定，因此反作用力2A和3A是沿着它们各自连杆130和140的方向施加的。即，在图10A的结构中，反作用力2A和3A分别沿参考线903b和903a形成的方向施加在负载承载连杆120上(为了方便和容易解释，图示的重心位于测试头110的中心。实际上，当必须考虑支撑结构和电缆的影响时，重心将位于别处)。可以看出，上转动连杆140处于拉伸状态并提供向左上的力3A；而下转动连杆130处于压缩并提供向右上的力2A。还要注意的是，装置的设计使参考线903a和903b相交于重心CG。这样，正如图1A-D的装置，如果测试头110处于图示状态，则作用在负载(测试头110)上的所有力(在这种情况下是2A、3A和W)经过重心CG。因此，没有绕重心的力矩，测试头110将不转动，除非施加产生外力矩的力。还可以容易看出，系统是静态确定的，因此平移静力平衡的所有力的水平和垂直分量是唯一确定的。
在图10B所示的结构中，下转动连杆130和上转动连杆140相对于图10A所示的位置产生逆时针转动。作为此转动的结果，测试头110相对图10A所示的测试头110位置顺时针转动。参考线903a，b在图10B中的位置与它们在图10A中的位置相同。这样，可以看出，在转动过程中，测试头110也经历了轻微的平移运动。图10D是一个放大图，表示重心CG离开参考线903a，b的交点形成的平移。因此，可以看出，测试头110的重心CG不再处于参考线903a，b的交点。换言之，重心略微离开其原始位置。位移量大小取决于几何因素，例如，连杆120、130、140、160的长度和长度比。
此外，反作用力2A和3A必须分别沿着转动连杆130和140限定的方向。因此，如同可以看到的，反作用力2A和3A不再沿着经过重心的路径。但可以看出，反作用2A，3A的作用方向是沿着绕着重心形成至少部分偏移力矩的路径。结果，绕着重心形成残余转矩，此转矩的大小和净方向取决于连杆120、130、140和160的转动角度和几何形状(下面将提供一个例子)。
在图10C所示的另外结构中，下转动连杆130和上转动连杆140已经相对于图10A所示位置顺时针转动。这造成测试头110的位置相对于图10A所示位置逆时针转动。并且，由于测试头110转动，重心CG略微移动，如同图10B的情况。因此，重心CG不再处于图10A中参考线903a，b的交点，这种状况如图10D所示。
从图10C还可以看出，如同图10B的情况，反作用力2A和3A不再沿着经过重心CG的直线。它们沿着导致绕着重心CG沿相反方向作用的力矩的方向作用，至少部分地相互偏移。因此，绕着重心CG再次形成残余转矩，此转矩的大小和方向取决于连杆120、130、140和160的转动角度和几何形状。
在本发明的一个典型实施例中，转动连杆130和140每个是11英寸，地面连杆160是18英寸，负载承载连杆120是13英寸(从轴承中心到中心150测量的距离)。虽然在此实施例中至少开始的3到5度的转动处于任一方向，但残余转矩与转动测试头110所需施加的转矩相比是小的。因此，测试头相对于此转动处于基本失重状态。而且，残余转矩处于将测试头110恢复到其名义位置的方向。也就是说，如果测试头110顺时针转动3到5度，则相反地形成逆时针方向的残余转矩。在很多应用中需要一种效果，即，当去除施加的转动力时，负载将返回或弹回其名义位置。但是，超过某点进一步转动可以导致残余转矩的方向颠倒，使测试头110按其自身的规定继续转动离开名义位置。但是，对于对接应用，正负3到5度的适应转动是足够的，并且止动部可以很容易增加到系统，防止进一步转动。
如同图1A-1D所示的远轴转动接头的情况，图10A-10D所示的远轴转动接头需要力2A和3A沿着足够靠近重心CG通过的直线作用，从而形成的转矩不足以克服摩擦力。对于这样的要求，基本上难以构建一个实用的系统。一个实用的系统可以包括力的辅助调节源，例如长度可调节的弹簧或者气动装置(例如，参见国际申请WO 02/25292A2)，用于达到一个平衡状态。
因此，图10A-10D表示性能与上述远轴转动接头类似的远轴转动接头。与图1A-1D所示实施例相比，图10A-10D的实施例可以在负载转动时提供残余转矩，并且当其转动时还可以导致负载重心的轻微运动。需要注意的是，如果在图1A-1D所示接头中使用除圆弧以外的曲线，就可以得到类似的性能。
图11表示本发明另一个实用典型实施例的侧面透视图。测试头110可转动地连接到负载承载连杆120。测试头110和负载承载连杆120之间的连接可以使用电缆枢转组件360实现。在此情况下的负载是测试头110与电缆枢转组件360的组合。典型的电缆枢轴请参见美国专利5608334和5030869。专利5608334披露一种单件电缆枢轴，而专利5030869披露一种开口环电缆枢轴。开口环设计允许测试头装在系统上而不需要断开将其连接到机柜的电缆。负载承载连杆120连接到下转动连杆130和上转动连杆140。下转动连杆130和上转动连杆140再连接到地面连杆160。下转动连杆130和上转动连杆140通过旋转轴承151可转动地连接到负载承载连杆120和地面连杆160。转动连杆130和140每个11英寸，地面连杆160为18英寸，负载承载连杆120为13英寸(从轴承151的中心到中心测量的距离)。这些与先前典型实施例所述的尺寸相同。因此，本实施例的行为本质上与上一种情况相同。
地面连杆160装有下(图11中未图示)和上缓冲器180。下和上缓冲器180的目的是限制下转动连杆130和上转动连杆140可以运动的范围。形成这种限制的目的是防止测试头110的转动超过其名义水平位置约±5°。这样防止测试头110转动，避免如上所述导致残余转矩的方向变成驱动测试头离开名义水平位置。
图12是图11所示另一个典型实施例的后部透视图。从图12可以看出，其中包括下缓冲器180。地面连杆160和负载承载连杆120都是C形的，在相同的侧面开口。如上所述，电缆枢转组件360可以是开口环类型。如果这种类型的测试头110使其电缆从其后安装面伸出，就可以将测试头装到定位器系统上，而不必要从测试头或从机柜上断开电缆。这是一个重要的考虑，因为断开和重新连接电缆将使测试头的制造商保修失效。这也节省了现场安装的大量劳动力。可以预计，C形件也可以应用到图1A所示的实施例。
从图12还可以看出，负载承载连杆120后面装有保持块148。轴(螺栓)146穿过保持块148。螺栓146还穿过杠杆机构144。再次参看图11，杠杆机构144穿过调节器支架170，从而螺栓146终止于把手142。调节器支架170刚性连接到地面连杆160。
保持块148更清楚地表示在图13的透视图中。其目的是保持调节螺母组件162(在下面描述)。保持块148包括由调节螺母盖154闭合的通道152。
图14是调节螺母组件162的透视图。调节螺母组件162装在保持块148内。调节螺母组件162包括螺母163，凸轮跟随器164从其相反末端伸出。凸轮跟随器164处于相应的通道152中。这样，由于凸轮跟随器164在通道152内前后运动，调节螺母组件162能在保持块148内前后运动。
图15表示杠杆机构144的分解图。此组件的剖视图表示在图16A-16C。从图15的底部开始描述，其中包括保持块148。螺母163装在保持块148内。凸轮跟随器164从螺母163的相反末端伸出。螺母163能随着凸轮跟随器164在通道152内前后运动而在保持块148内前后运动。通道152覆盖调节螺母盖154。螺栓146具有阶梯直径。螺栓146的下部分有螺纹，并具有较大的直径。螺栓146的上部分没有螺纹，并具有较小直径。轴承177在螺栓146上装在从一个直径到另一个直径的台阶处。螺栓146通过使其下部的螺纹末端插入螺纹孔165，装到螺母163上。外壳168位于螺栓146周围。压缩弹簧172和174装在螺栓146周围，并被轴承177隔开。圆筒形外壳163具有圆柱孔，其中装有螺栓146、弹簧172、174以及轴承177组成的部件。轴承177滑动地装在圆柱孔内，使螺栓146光滑地转动。弹簧172、174保持在圆筒形外壳168内，而螺栓146穿过两个末端。螺栓146上部没有螺纹的末端穿过调节器支架170的一个孔。轴146还穿过弹簧固定板176的一个孔，弹簧固定板176固定在调节器支架170的表面。最后，用辊销178将把手142装在轴部件146的顶端。弹簧172就这样压缩在轴承177和外壳168下端之间。弹簧174压缩在轴承177和弹簧固定板176之间。
下面将描述杠杆机构144的工作。杠杆机构144提供三个功能，首先，类似于图4所示系统的位置调节机构，提供负载的位置调节。其次，借助弹簧提供绕负载重心产生力矩的力，用于抵消不准确经过重心的转动连杆上的反作用力产生的残余转矩。第三，提供对接适应性。在操作时，可以转动把手142，把手转动螺栓146，这又导致螺母163沿螺栓146的螺纹部分上下运动。由于螺母163固定在装在负载承载连杆120上的保持块148内，并且外壳168固定在地面连杆160上，因此导致负载转动。当通过转动螺栓146使负载转动时，弹簧172、174的长度使其适于在达到任何稳定位置它们产生的力矩足以抵消在此位置的残余转矩。因此，操作者可以根据需要转动把手142达到提供的运动范围内所需的名义位置，这是平衡位置。对其施加的外力可以进一步顺从地转动负载。当施加外力时，弹簧172、174相应地改变长度，使负载转动。因为此操作导致弹簧沿着与施加力相反的方向运动，并且由于转动负载形成残余转矩，当去除外力时，形成的总转矩将使负载返回其名义位置。
图16A-16C表示杠杆144处于三个负载位置的剖视图，其中螺栓146固定地插在螺母163内。也就是说，从一个剖视图到另一个剖视图螺栓146还没有转动。图16A表示负载处于名义位置的状态。轴承177基本沿外壳168的长度位于中心。在图16B中，负载已经转动，使负载承载连杆120和保持块148升高。弹簧174压缩，弹簧172拉长，轴承177在外壳163内向上运动，把手142相对支架170升高。同样地，在图16C中，负载已经转动，使负载承载连杆120和保持块148下降。弹簧174拉长，弹簧172压缩，轴承177在外壳168内向下运动，把手142相对支架170下降。
需要注意的是，杠杆机构144对测试头110的转动形成限制。但是，相对于工业安装过程中可能意外作用在测试头110上的大的意外作用力，机构144是一个比较脆弱的机构。因此提供很多有褶皱的缓冲器180，这些缓冲器可以调节，使它们在达到杠杆机构144提供的运动限制之前的一段短距离停止运动。
图17A-17E是表示上述实施例的5个不同结构的侧视图。
图17A的侧视图表示测试头110调节到名义水平位置。这对应于图16A中所示的杠杆机构144的视图。
在图17B中，外部施加的力(未图示)将测试头110逆时针转动了几度。图16B所示的杠杆机构144的结构对应于图17B所示的测试头110的侧视图。即，弹簧172、174(表示在图16B中)的长度已经改变，并且螺栓146相对于外壳168向上运动，为测试头110在外力作用下运动提供所需的顺从性。
同样地，在图17C中，外部施加的力(未图示)将测试头110顺时针转动了几度。图16C所示的杠杆机构144的结构对应于图17C所示的测试头110的侧视图。即，类似于前一个结构，弹簧172、174(表示在图16C中)的长度已经改变，并且螺栓146相对于外壳168向下运动，为测试头110在外力作用下运动提供所需的顺从性。
在图17D中，通过操作把手142将测试头110逆时针从图17A的水平位置转动了几度。即，把手142(和由此跟随的螺栓146)沿着使保持块148相对于图17A所示位置向上运动的方向转动。当保持块148向上运动时，负载承载连杆120跟随其向上运动。此外，当负载承载连杆120向上运动时，与图17A相比，下转动连杆130和上转动连杆140转动到顺时针位置。因此，如图17D所示，测试头110相对于图17A所示位置逆时针转动。
在图17C中，通过操作把手142将测试头110顺时针从图17A的水平位置转动了几度。即，把手142(和由此跟随的螺栓146)沿着使保持块148相对于图17A所示的保持块148位置向下运动的方向转动。当保持块148相对于螺栓146向下运动时，下转动连杆130和上转动连杆140相对于图17A所示位置逆时针转动。如图所示，这导致测试头110相对于图17A所示的测试头110取向顺时针运动。
从图17B和图17D还可以看出，当保持块148向上运动时，螺栓146也相对于图17A所示的保持块148内的位置运动到右侧。同样地，从图17C和图17E还可以看出，当保持块148向下运动时，螺栓146也相对于图17A所示的保持块148内的位置运动到左侧。这是螺母163必须能在保持块148内运动的原因(即，这是凸轮跟随器164在通道152内自由运动的原因)。
图19是包括具有图11到17E所示本发明典型实施例的测试头定位系统的透视图。如上所述，测试头110装在负载承载连杆120上。在这种情况下，负载承载连杆120连接到电缆枢转组件360，这在前面提及的美国专利中有更加清楚的描述。电缆枢转组件360(包括中空环)支撑测试头110。在负载承载连杆120后面是下转动连杆130(不能看到)和上转动连杆140。下转动连杆130和上转动连杆140连接到连杆160。这四个连杆120、130、140、160形成一个远轴转动接头，从而使测试头110绕水平轴(“翻转轴”)转动或翻转。电缆枢转组件360使测试头绕垂直于翻转轴并经过电缆枢转机构中心的轴线转动。一部分电缆枢转组件360可以去除，从而不需要断开和重新连接电缆即可安装测试头110。因此，电缆穿过电缆枢转组件360的中空中部。可以预计，这种结构也可以应用于图1A所示的实施例。连杆160又连接到定位器系统的其余装置，该系统必须提供额外的4个运动自由度。在图23所示的系统中，如同美国专利4588346中披露的具有三个垂直旋转轴的机构1901提供水平面的两个直线运动自由度(里—外和侧边—侧边)以及绕垂直轴线的三个旋转自由度。直线垂直运动是第六自由度，这是由装在垂直柱1910的直线轨道1905以及适当的直线轴承1906提供的。因此，测试头的运动可以是6个自由度的运动。
这样，已经描述了远轴转动接头(或者肘节接头)的两个实用实施例，第一个是图4的分解图表示的类型，第二个是图11和12表示的类型。为了方便，那些第一类型的将称为“滑动”型，那些第二类型的将称为“连杆”型。这两种类型是按相同的基本原理工作的，为负载提供绕水平轴的平衡转动。特别是，负载由可运动结构支撑，使得至少在名义位置，绕负载重心的力矩之和为零。可运动结构包括牢固固定在空间内的部分以及可以相对于固定部分运动的支撑部分。可运动部分与固定部分之间的接触区都位于包括水平旋转轴的垂直面的一侧。因此，本发明的滑动型和连杆型实施例都可以称为平衡远轴转动接头。
图19的系统使用一个平衡的远轴转动接头。如先前描述的，一个单独的机构使负载绕着离机构较远的垂直轴转动。但是，机构同时提供并允许水平面的两个运动自由度。在某些应用中，希望在定位系统中对于每个运动轴具有单独的机构，从而每个运动独立操作，同时所有其它运动保持固定不动。
远轴转动接头另外也可以用于提供绕垂直轴的转动。虽然这不能利用接头绕水平轴支撑负载的能力，但其优点是允许负载绕着离接头远的垂直轴转动。并且，两个远轴转动接头可以有利地组合在一个系统内，以使负载绕两个轴线转动。图20到23表示四种可能的组合，这将在下面描述。
在图20中，采用两个滑动型远轴转动接头300H和300V提供远轴水平和垂直转动(注意，字母H和V附加在参考数字后面用于区分两个单元中的类似零件)。除了去除圆柱体7a外，转动接头300H与图4中的接头相同。如上所述，接头300H提供平衡支撑以及使负载绕水平轴(俯仰轴)转动。负载(未图示)可以像以前一样装到安装板61上，由此提供绕第二轴(滚动轴)的转动。注意，当绕俯仰轴转动时，滚动轴相对于水平是倾斜的。远轴转动接头300V的取向垂直于接头300H。这提供绕垂直轴(偏航轴)的转动。接头300H的安装板7bH(看不到)刚性装到接头300V的肘节外壳11V。这保持两个接头的各个转动轴之间的角度不变。在这种情况下，当然，轴是互相垂直的，一根竖直并且一根水平。接头300V的安装板7bV(看不到)可以按任何方便的形式装到定位器的基部或其余部分。转动旋钮20V将绕垂直偏航轴手工调节负载，转动旋钮20H将绕水平俯仰轴手工调节负载。因此，图20的机构提供三个旋转自由度。每根轴可以独立转动，同时其它两根保持不动。三根轴的每一根可以独立于整个定位器系统包含的任何其它运动自由度进行操作。
图21表示利用两个连杆类型远轴转动接头310H和310V分别提供远的和独立的俯仰轴和偏航轴转动。除了连杆类型接头替换为滑动型接头外，此概念类似于图20。在图21中，偏航轴接头310V的负载承载连杆120V同时用作俯仰轴接头310H的地面连杆160H。而且在这种情况下，利用电缆枢转组件360可以将负载装到接头310H的负载承载连杆120H上，如同前面参考图11到19所作的描述。负载板372装到电缆枢转组件360的转动件上。最终负载(未图示)可以装到安装杆375上，安装杆375固定在负载板372上。因此，如图20所示，整个机构对负载提供三个转动自由度，每个转动的完成可以独立于整个定位器系统的任何其它运动自由度。调节机构144H和144V可以类似于参考图15描述的一种。机构144H通过转动把手142H手工调节绕水平轴的转动，并包括如前所述的弹簧，用于提供平衡和顺从性。机构144V通过转动把手142V手工调节绕垂直轴的转动，并包括如前所述的弹簧，用于提供顺从性。在图21的结构中，从负载延伸到另一件装置的电缆可以穿过电缆枢转组件和连杆120H、160H/120V、160V的孔。
当然，可以通过组合单一的滑动接头与单一的连杆接头达到类似的结果。图22和23表示可以实现此想法的两种方式。在图22中，提供绕垂直偏航轴转动的肘节接头300V可以装到基部或定位器系统。连杆接头310H刚性连接到滑动接头300V的肘节外壳11V(看不到)。连杆接头310H提供绕水平俯仰轴的转动。连杆接头310H支撑电缆枢转组件360，电缆枢转组件360通过板372和安装杆375连接负载。图23在概念上类似于图22，只是滑动接头和连杆接头的位置颠倒了。因此，连杆接头310V装在基部并提供绕垂直偏航轴的转动。滑动接头300H由连杆接头310V支撑，并提供绕水平俯仰轴的转动。如上所述，辊锁板63和安装板61可以使负载(未图示)被安装并使负载绕第三滚动轴转动。
图20到23的机构都有一个远轴转动接头，其取向提供垂直转动，远轴转动接头装在定位器上并支撑提供水平转动的第二远轴转动接头。可以看出，通过这种顺序的接头，不管各个接头的状态或位置如何，总是可以执行绕垂直轴和水平轴的转动。本质上通过将这些组件转动90度，也可以将此顺序颠倒，并使提供水平转动的接头装在定位器上并支撑第二接头。但是，在此结构中，当第一接头的状态或位置变化时，第二接头提供绕着相对垂直方向可变倾斜的轴线转动。这在某些应用中是有用的。
虽然很多定位器设计成对接所有类型的外围设备，但其它一些设计优选地对接特殊类型的外围设备。例如，如果系统设计成对接晶片探针，则测试头总是向下对接，并且重要的是提供绕着经过测试接口下方的装置中心的垂直轴的顺从转动。在这种情况下，使用诸如图20或22所示结构的滑动型转动接头是优选的，因为它提供绕着固定在空间中的轴线转动。但是，在对接垂直面封装处理器的情况下，需要绕着经过接口中心的水平轴的顺从转动。在这个例子中，诸如图21或23所示的、其取向绕着水平轴转动的滑动型接头将是优选的。
此外，已经图示了滚动轴连接作为与负载的最终连接，并且注意到，滚动轴根据其它接头的状态和位置与水平方向倾斜。在一些应用中，可能需要改变连接顺序，从而将滚动轴单元置于两个远轴转动接头之间，或者将滚动轴直接连接到定位器并支撑其余接头。总之，本发明并不限于这些接头顺序。
虽然这里参考特定实施例图示和说明了本发明，但本发明并不限于所给出的细节。相反，在权利要求等同范围内并且不偏离本发明的情况下，可以对细节做出不同的修改。
权利要求书(按照条约第19条的修改)37.如权利要求1所述的支撑负载的装置，其特征在于，所述两个支撑区包括位于远离所述负载下方的平面上的相应点。
38.如权利要求19所述的移动负载的方法，其特征在于，所述两个支撑区包括位于远离所述负载下方的平面上的相应点。
权利要求
1.支撑负载的装置，包括连接到所述负载并且可以与所述负载一起运动的枢转装置；相对于所述枢转装置固定的基部；在所述枢转装置与所述基部之间的至少两个支撑区，其中，分别相反的分力位于所述两个支撑区；所述两个支撑区沿至少一个弯曲路径运动，以使所述负载倾斜。
2.如权利要求1所述的支撑负载的装置，其特征在于，所述枢转装置包括位于所述两个支撑区的圆形件，所述圆形件沿所述弯曲路径运动，以使所述负载倾斜。
3.如权利要求1所述的支撑负载的装置，其特征在于，所述枢转装置包括所述两个支撑区位于其上的至少一个零件，所述枢转装置沿所述弯曲路径运动，所述弯曲路径相对于所述负载是凹形的。
4.如权利要求1所述的支撑负载的装置，其特征在于，所述弯曲路径定位在一个竖直面中，并且所述枢转装置设置成，所述枢转装置沿所述弯曲路径的向上运动导致与所述负载朝向所述弯曲路径的另一表面相反的表面向下倾斜。
5.如权利要求1所述的支撑负载的装置，其特征在于，所述枢转装置设置成，所述枢转装置沿所述弯曲路径的运动导致所述负载绕着基本与所述负载重心相交的一根轴线倾斜。
6.如权利要求1所述的支撑负载的装置，其特征在于，还包括刚性连接到所述基部的轴部件，所述轴部件连接到所述枢转装置，当所述轴部件控制所述枢转装置沿所述弯曲路径的运动时，所述枢转装置可沿所述轴部件运动。
7.如权利要求1所述的支撑负载的装置，其特征在于，还包括辊锁板，用于使所述负载绕着与所述负载绕其倾斜的另一轴线垂直的一根轴线转动。
8.如权利要求1所述的支撑负载的装置，其特征在于，还包括在所述枢转装置与所述基部之间的连杆，所述连杆具有位于所述基部的第一枢轴点以及位于所述枢转装置的第二枢轴点，当所述负载倾斜时，所述连杆向着或远离所述基部转动。
9.如权利要求8所述的支撑负载的装置，其特征在于，所述第二枢轴点与所述支撑区之一重合。
10.如权利要求8所述的支撑负载的装置，其特征在于，还包括在所述枢转装置和所述基部之间的另一连杆，所述另一连杆具有位于所述基部的第三枢轴点以及位于所述枢转装置的第四枢轴点，当所述负载倾斜时，所述另一连杆向着或远离所述基部转动。
11.如权利要求10所述的支撑负载的装置，其特征在于，所述第二枢轴点与所述支撑区中的另一个重合。
12.如权利要求10所述的支撑负载的装置，其特征在于，所述第二枢轴点和所述第四枢轴点绕平行的轴线转动。
13.如权利要求1所述的支撑负载的装置，其特征在于，还包括连接到第二基部的第二枢转装置；相对于所述第二枢转装置固定的第二基部；在所述第二枢转装置与所述第二基部之间的至少两个另外的支撑区，其中，分别相反的分力位于所述两个另外的支撑区；所述两个另外的支撑区沿至少一个另一弯曲路径运动，以使所述负载倾斜。
14.如权利要求1所述的支撑负载的装置，其特征在于，还包括可以转动的中空环，用于使所述负载绕着与所述负载绕其倾斜的另一轴线垂直的轴线转动。
15.如权利要求14所述的支撑负载的装置，其特征在于，所述中空环的一部分是可以拆除的。
16.如权利要求15所述的支撑负载的装置，其特征在于，电缆位于所述环中。
17.如权利要求1所述的支撑负载的装置，其特征在于，所述基部是大体上C形零件，在其一侧延伸有开口。
18.如权利要求17所述的支撑负载的装置，其特征在于，电缆位于所述开口中。
19.一种移动负载的方法，包括保持基部相对于枢转装置固定；以及通过以下过程使所述负载倾斜将所述枢转装置和所述基部之间的至少两个支撑区沿至少一个弯曲路径移动，同时分别相反的分力位于所述至少两个支撑区上；以及通过所述枢转装置移动所述负载。
20.如权利要求19所述的移动负载的方法，其特征在于，在所述两个支撑区上的圆形件沿所述弯曲路径运动，以使所述负载倾斜。
21.如权利要求19所述的移动负载的方法，其特征在于，在所述两个支撑区上的至少一个零件沿所述弯曲路径运动，以使所述负载倾斜。
22.如权利要求19所述的移动负载的方法，其特征在于，所述弯曲路径相对于所述负载是凹形的。
23.如权利要求19所述的移动负载的方法，其特征在于，所述弯曲路径定位在一个竖直面中，并且所述两个支撑区沿所述弯曲路径向上运动，导致与所述负载朝向所述弯曲路径的另一表面相反的所述负载的表面向下倾斜。
24.如权利要求19所述的移动负载的方法，其特征在于，所述两个支撑区沿所述弯曲路径的运动导致所述负载绕着大体上与所述负载重心相交的轴线倾斜。
25.如权利要求19所述的移动负载的方法，其特征在于，还包括沿一根轴部件移动所述枢转装置的步骤，所述轴部件连接到所述枢转装置并且刚性连接到所述基部，使得所述轴部件控制所述枢转装置沿所述弯曲路径的运动。
26.如权利要求19所述的移动负载的方法，其特征在于，还包括使所述负载绕着与所述负载绕其倾斜的另一轴线垂直的轴线转动的步骤。
27.如权利要求19所述的移动负载的方法，其特征在于，在所述枢转装置与所述基部之间具有连杆，所述连杆具有位于所述基部的第一枢轴点以及位于所述枢转装置的第二枢轴点，当所述负载倾斜时，所述连杆向着或远离所述基部转动。
28.如权利要求27所述的移动负载的方法，其特征在于，所述第二枢轴点与所述支撑区之一重合。
29.如权利要求27所述的移动负载的方法，其特征在于，在所述枢转装置和所述基部之间具有另一连杆，所述另一连杆具有位于所述基部的第三枢轴点以及位于所述枢转装置的第四枢轴点，当所述负载倾斜时，所述另一连杆向着或远离所述基部转动。
30.如权利要求29所述的移动负载的方法，其特征在于，所述第二枢轴点与所述支撑区中的另一个重合。
31.如权利要求29所述的移动负载的方法，其特征在于，所述第二枢轴点和所述第四枢轴点绕平行的轴线转动。
32.如权利要求19所述的移动负载的方法，其特征在于，第二枢转装置连接到第二基部；第二基部相对于所述第二枢转装置是固定的；在所述第二枢转装置与所述第二基部之间具有至少两个另外的支撑区，以及分别相反的分力位于所述两个另外的支撑区；所述两个另外的支撑区沿至少一个另一弯曲路径运动，以使所述负载倾斜。
33.如权利要求19所述的移动负载的方法，其特征在于，转动一个中空环，以使所述负载绕着与所述负载绕其倾斜的另一轴线垂直的轴线转动。
34.如权利要求33所述的移动负载的方法，其特征在于，还包括拆除所述中空环的一部分的步骤。
35.如权利要求34所述的移动负载的方法，其特征在于，还包括使电缆位于所述环中的步骤。
36.如权利要求19所述的移动负载的方法，其特征在于，还包括使电缆穿过所述基部的开口的步骤，所述基部是C形的，所述开口从所述基部一侧延伸。
全文摘要
一种支撑负载的装置，包括连接到负载并可以与负载一起运动的枢转装置；以及相对于所述枢转装置固定的基部。在所述枢转装置与所述基部之间具有至少两个支撑区。相反的分力分别作用在所述两个支撑区。所述两个支撑区沿一个弯曲的路径运动，以使所述负载倾斜。
文档编号B25J17/02GK1745310SQ200480002992
公开日2006年3月8日 申请日期2004年1月26日 优先权日2003年1月28日
发明者亨利·M·阿库卡, 克里斯托弗·L·韦斯特, 查尔斯·纳珀 申请人:因泰斯特Ip公司