专利名称：具有非线性施力构件的夹持件的制作方法
具有非线性施力构件的夹持件
背景技术：
在许多制造处理中，新制造的部件需要经过测试，以确保新部件已经根据设计规 格制成，并确保新部件在特定测试条件下如所预期地执行工作。大量测试设备和仪器被用 于测试这些新制造的部件。在测试这些部件时，经常需要在较短的测试时段期间将新制造的部件可靠地保持 或夹持于测试设备。例如，在电子工业中，电子器件将需要被夹持于测试器，使得测试器可 以测试电子器件。该夹持操作必须以允许测试器上的各种探头可靠地接触设置于电子器件 上的各种电路节点和触点的方式来实现。可以通过能够迅速并精确地夹持和释放要被测试 的电子器件的夹持系统来增强测试操作。
发明内容
在一实施例中，提供了一种夹持件，包括壳体；从所述壳体内延伸出的搭扣构 件，并且所述搭扣构件可沿着位移轴线平移；致动器，其安装至所述壳体并可与所述搭扣构 件相关地进行动作以使所述搭扣构件沿着所述位移轴线平移；以及非线性施力构件，其可 与所述搭扣构件和所述壳体相关地进行动作，并且所述非线性施力构件被布置为对所述的 搭扣构件朝向退回位置施力。在另一实施例中，提供了一种夹持件，包括壳体；从所述壳体内延伸出的搭扣构 件，并且所述搭扣构件可沿着位移轴线平移；致动器，其安装至所述壳体并可与所述搭扣构 件相关地进行动作以使所述搭扣构件沿着所述位移轴线平移；施力构件，其可与所述搭扣 构件和所述壳体相关地进行动作，并且所述施力构件被布置为对所述的搭扣构件朝向退回 位置施力；以及与所述搭扣构件相邻的第一导引件和第二导引件，并且所述第一导引件和 所述第二导引件被布置为维持所述搭扣构件沿着位移轴线的直线平移并禁止所述搭扣构 件在所述位移轴线外移动。在又一实施例中，提供了一种操作夹持件的方法，包括以下步骤激励致动器以引 起搭扣构件抵抗由非线性施力构件施加的施力而沿着位移轴线朝向伸出位置平移；将所述 搭扣构件的夹持端部与要夹持的部件配合；并且停止激励所述致动器以允许所述非线性施 力构件的施力引起搭扣构件沿着位移路径朝向退回位置平移。还提供了其他实施例。
本发明的解释性实施例被图示在附图中，其中图1图示了插入物互连；图2图示了双向动作气动缸，其在凸缘的一侧具有第一入口，并在凸缘的另一侧 具有第二入口；图3图示了气动激励的夹持件，其具有被配置为促使搭扣的凸缘端远离缸的夹持 端的预加载构件；
图4图示了气动夹持件；图5图示了对于线性施力构件和非线性施力构件的力对偏移图线；图6图示了贝氏垫圈的示例性实施例；图7图示了针对贝氏线圈的对于各种高度/厚度比率的力对偏移曲线；图8图示了针对三叶弹簧的力对偏移曲线；图9图示了具有非线性软化施力构件的夹持件；图10图示了如图9所示的夹持件的分解视图；并且图11图示了如图9和10所示的夹持件的剖视图。
具体实施例方式最近几年，用于存储器产品(例如，DRAM和闪存产品)的测试器已经结果了显著 的改变。存储器速度和密度已经增大了多个数量级，并且测试器也随之进行适配。但是，随 着速度增大，信号路径长度已经成为严峻的问题。为了实现高速而使路径长度最小化导致 测试器部件在最近的五年内缩小了超过1000倍。与测试器设备相关的设备的总体概要包括以下部件。系统台是容纳用于测试头的 支撑装置的竖直支架安装部。在通常的系统中，系统台容纳冷却单元、电源和用于测试电子 装置的控制器。较大束的电缆和冷却水软管将此系统台连接至测试头。测试头是容纳全部 测试器电子装置的相对较小的壳体。实际的信号发生和分析在测试头内执行。接口安装至 测试头。这是机电组件，其基本上是非常大的连接器，并允许各种探头板安装至测试器。实 际接触晶片并与晶片表面上的金属垫盘进行电接触的是探头板。随着对于ATE工业发展出了新的更经济的方案，出现了更大的设备(即，更多并 发)。在下一代的测试器中，将可以一次测试超过1000个器件。随着同时测试更多的器件， 测试系统的物理尺寸通常成为问题。虽然总体尺寸可以一定程度地增大，但是器件与测试 器之间的互连密度显著更大地增大。由于信号路径和路线方面的考量限制了电系统的缩 小，所以这导致必须在密度增大的情况下使机械形状缩小。这在接口(即，测试器的形成 互连至探头板的部分)方面成为最大的问题。在下一代的机器中，需要通知制造并切出约 74000个互连。实际互连可以使用插入物来实现，插入物包括位于塑料壳体内的非常小的弹 簧。当机械力施加至PCB-插入物-探头板的夹层结构时，此弹簧提供了低阻抗路径。弹簧 通常以相对精细的间距(通常为Imm)布置为二维阵列。在一个实施例中，可以在单个塑料 壳体中形成约500个连接器弹簧。这种互连是较理想的，这是因为在任一侧的PCB均相对 坚固，并且如果插入物被损坏可以容易地更换。图1图示了来自Verigy 5500 Matrix测试 器的插入物互连。插入物互连和其他类似系统可以包括相似的夹持和其他的机械力的应用 方式。诸如WISI-2之类的一些应用可以包括更少的自由空间，并可以包括径向构造，其通 常非常难以进行施力。施力的方法可以包括气动夹持件。每个夹持单元可以非常小，并可以提供有限的 力。但是，通过设置足够的这种单元(其应该被适当地分布)，可以实现所需的夹持力。在 一实施例中，夹持件可以包括两个重要特征。特征之一是相对较小的横截面，以允许夹持件 装配在插入物之间。由于夹持装置将会把探头板夹持于测试器装置，所以另一个特征是夹 持装置必须被配置为不会意外地打开。为测试处理所需的复杂的探头板是非常昂贵和精密的。探头板的成本会超过$250，000。在探头板上，具有通常好几万个向外延伸以与晶片接 触的针状触点。任何非竖直的力将很容易损毁触点。此外，过度地驱动触点仅千分之几个 英寸也可能损毁触点。因此必要的是，用于将探头板保持于接口的夹持件在操作时必须精 确，并且不会具有可能导致其意外打开的缺陷。这样的打开会导致探头板掉落，并引起探测 器(其是将晶片定位于探头卡的机械)损伤探头板。在许多工业中共同的任务是使用气动致动的夹持件。随着自动化在制造业的普 及，可获得的夹持装置已经增多。这些夹持件中的许多包括简单的双向作用气动缸200(见 图2)。如图2所示，这些装置使用一侧的气压以沿着朝向入口 202的的一个方向致动，并接 着使连接反向以沿着朝向入口 204的方向致动。这种最简单类型的致动器不适于我们的使 用，这是因为气压故障使得夹持件打开。具有预加载弹簧302的夹持件致动器300 (图3)最适于许多ATE应用。夹持件致 动器单向致动气动缸304被预压缩的线性弹簧302保持在一个位置。这些类型的夹持件致 动器300也是通用的工业装置，并也已经在ATE工业中得到长期应用。由授权给Chiu的美国专利号7，213，803和授权给Uher等的美国专利号 6，340，895提供了一些示例。装置300的动作使得在完全关闭位置，弹簧302提供了夹持 力。为了克服该力，将气压通过入口 306供应至缸。当由空气提供的力超过弹簧力时，夹持 件300开始打开。这种类型的装置的问题正在于此。应该可以理解的是，压缩弹簧的力是距 离的线性函数。由此，通过入口 306提供的空气必须施加越来越大的力来进一步打开夹持 件300。在许多情况下，必须施加夹持力的两倍以使夹持件300完全打开。这在夹持件300 的几何形状较短并具有较小直径的情况下更成为问题。对于较短的夹持件300，弹簧302必 须压缩其长度的更大部分，从而增大了用于压缩弹簧302的力。同时，随着直径减小，因为 活塞304的末端308处的面积减小，所以可获得的力减小。因此，随着这种类型的夹持件变 得更小，其几乎无效。这些因素限制了夹持件300在ATE工业中的实用性。现在参照图4，夹持件400基于相对较大的盘簧402，夹持件400被大体构造为将 最终测试接口 (Final Test Interface)保持于型号V5500的Matrix单元。夹持件400可 以包括5. 25"高和4"直径的总体尺寸。这对于许多教新的测试应用而言太大了。用于此 夹持件的弹簧402具有3. 5〃的自由长度，1.94"的0D，0.25"的线径，并具有1981b/in的 弹簧系数。对应于该应用，夹持力是1101b，因此弹簧402在进行了 0.55"的弹簧压缩的情 况下被压缩至2.94"。在一实施例中，夹持件1100从闭合位置到打开位置行进0.25英寸。 在完全打开位置，用于为抵消弹簧以停止所需的力是约0. 8*198 = 1581b。这是为打开夹持 件400而必须由气动致动器404产生的力。总体而言，这是可接受的，因为夹持件可以包括 2"直径的活塞。这个尺寸的活塞可以在约85psi的气压下产生约2671b的力。当使得夹持件400的尺寸更小时，用于打开的力相较于可从相似弹簧直径的活塞 获得的力而言变得过大。如果夹持件400的长度减小至1. 5英寸，并且弹簧1102的直径 成为1.4英寸，则可接受的弹簧选择是Century Spring 72767。此弹簧具有1.4"直径， 2.5〃自由长度，0.162〃线径、以及1031b/英寸的弹簧系数。当弹簧402被压缩至1. 43 〃 时，夹持件400具有IlOlb的夹持力。对于行进了同样0.25"的夹持件，弹簧402的长度变 为1.18〃，并且用于打开的力为1351b。注意，1.4〃直径的活塞将仅产生1301b的力，因此 此夹持件将不能完全打开。
基本的缺点是普通弹簧的属性，其在于如图5所示，偏离力与偏移成正比。较小的 弹簧必须具有较小的线径。因此，较小的弹簧具有较低的弹簧系数。为了使较小的弹簧提 供足够的力，其必须被压缩其自由长度的较大部分。由夹持件打开所需的额外弹簧偏移以 按比例地增大力，并且在许多情况下，超过了可以通过匹配尺寸的气缸所供应的力。在一实施例中，可以通过使用具有更好地适应任务的特性的弹簧装置来克服困 难。如先前所述，通用的压缩盘簧具有在图500上由图线502所示的与便宜直接成正比的 力，并通常被公知为线性弹簧。还存在其他类型的随其偏移非线性的弹簧。一种类型的偏 移成为非线性刚化，其可以由非线性刚化弹簧引起，并如图线504所示。非线性刚化弹簧可 以具有被设计为随着弹簧被压缩而进行接触的线圈。这种构造引起弹簧常数随着偏移而增 大。这种行为也在图5中示出。另一个种类型的弹簧被成为非线性软化弹簧，如图5中图 线506所示。这种非线性软化类型的一个示例是箭术所用的复合弓。随着其被往回拉，弹 簧力随着偏移而减小，使得容易将弓保持在待发位置。注意，在此情况下，这种类型的动作 是通过带轮和线缆的复杂系统获得的，这不是在小区域中使用的夹持件的选项。另一种非线性软化弹簧已经被记载为利用由合适调节的材料制成并具有合适调 节的内部特征的聚合物缸。这种构造对于ATE系统的小区域使用而言也太复杂。软化非线性弹簧的最后一个示例是被选择用于ATE系统的小区域中使用的一种。 某些类型的贝氏垫圈(Belleville washer)展现了这种行为类型。贝氏弹簧或垫圈600 (图 6)是一种盘式弹簧。通常为高碳钢的薄片弹簧材料被冲压以制造具有较大外径(0D)602和 较小内径(ID)604的的垫圈。此垫圈可以接着被压制使其具有拱形而成为截锥形状。在硬 化之后，这形成了贝氏弹簧600。图6以横截面视示了贝氏弹簧600。总体而言，这些 类型的弹簧具有非常大的刚性(即，非常小的偏移产生非常大的力)。贝氏弹簧的一种通常 的用途是在结构应用中布置在较大的螺栓下方以即使由于振动或热效应导致螺栓略微松 动时也提供按压力。贝氏弹簧的一种重要特性在于对于一些垫圈几何结构而言力-偏移曲线可以是 非线性的。如图7的图线700所示，当高度比材料厚度变为大于0. 4时，曲线展现了软化非 线性弹簧的行为。随着该比率变为大于1.5，该行为非常明显。在所图示的最大比率(例 如，2.0或更大)的情况下，垫圈实际上在加载时逆转。此软化非线性行为允许气动夹持件的小型化。图8图示了对于三叶弹簧(clover spring) BC-1070-020S贝氏垫圈的力-偏移曲线。该三叶弹簧是贝氏垫圈的一种，其具有沿 着内外周的切除部分，以相比标准贝氏弹簧允许在更低的加载情况下更大的偏移。此垫圈 具有1.069"的OD和0.4〃的ID。其未加载情况下的高度是0. 101 “，并且盘材料的厚度 是0.02"。其高度与厚度的比率大于4，因此其具有明显的软化行为。通常公知的是，贝氏 弹簧不应该被压缩超过其总偏移的75%。否则，过度压缩会引起在较少次数的循环时发生 疲劳失效。贝氏垫圈还具有普通盘簧所不具有的非常易于处理的特性。这是因为可以将垫圈 以特定方式堆叠来一定程度地调节其偏移和加载。对于单个垫圈，可以查询或测量在给定 偏移情况下的力。如果需要更大的力，则可以将垫圈沿着相同方向堆叠以增大通过垫圈的 偏移产生的合力。另一方面，如果在给定力的情况下需要更大的偏移，则可以将多个垫圈沿 着相反方向堆叠来实现。
在一个实施例中，垫圈可以在0. 038"的偏移情况下371b的标称力的状况下使 用。夹持件可以使用3个垫圈的组以在0.038"的偏移情况下产生Illlb的总载荷。这样 的3个垫圈的组在被加载时的高度是0. 103"。夹持件可以使用15组按照成对相反方式布 置的3个垫圈的组，以实现0.25"的所需总偏移。这产生了 1.54"的总高度，每组对于总 偏移而言偏移了 0. 0167"的增量。根据载荷对偏移曲线，此偏移在每个垫圈401b的载荷情 况下(即，对于堆叠而言1201b的总载荷)发生。相比用线性线圈弹簧可以实现的情况而 言，这是在最大偏移情况下小得多的载荷。夹持件直径与使该堆叠完全偏移所需的力相关。 对于1201b的力，在85psi的压力下，所需活塞直径为1.35"，可以得到非常紧凑的设计。在图9-11中示出了夹持件900的示例性实施例。在图中额外的视图示出了夹持 件900A、900B和900C，并且图10中以分解视图示出了夹持件900D。现在参照图11，示出了 夹持件900E的剖视图。在一实施例中，活塞杆902形成了从壳体906 (或缸906)内延伸出 的搭扣构件904。与课题906配合的活塞头910包括0环密封件908。诸如贝氏弹簧600 或三叶弹簧600之类的非线性施力构件600的垫圈堆叠912位于上述活塞头902以上，在 未施加气压时对搭扣构件904的端部914向最低可能位置促使。为了允许尽可能紧凑的设 计，活塞头910是薄饼形状，即相对于其直径而言其高度较小。通常，活塞仅可以在高度与 宽度相当的情况下在腔孔中自对中。因此，在这种类型的夹持件上通常不会看到较薄的活 塞头910。为了允许相对于宽度916而言较小的活塞头910的使用，第一和第二导引件918 和920可以与活塞杆902相邻地设置顶部922和底部924。第一导引件918围绕活塞杆924 或延续部924，而第二导引件920可以被配置为围绕活塞杆924的在缸906的凹部826内延 伸的延伸部924。空气入口 928可以设置为对活塞头910进行致动的致动器。也可以设置 螺栓或其他安装构件930以将夹持件900保持在一起。在一个实施例中，夹持件900的搭扣构件904可以被配置为可选择性地绕偏移轴 旋转。可以提供此旋转以允许与搭扣构件904的端部配合并夹紧。例如，可以设置外部旋 转致动器935以与搭扣构件进行可动作的链接。在另一实施例中，搭扣构件904可以在不 旋转的情况下沿着位移轴线伸出，并可以被配置为用于其他类型的非旋转配合。在一实施例中，非线性施力构件600可以包括被配置为提供随着偏移而减小的弹 簧力的软化非线性弹簧600。此配置基本允许搭扣构件904随着添加力的按比例减小而移 动远离壳体600附近的退回位置。在示例性实施例中，提供了一种操作夹持件的方法。此方法可以包括以下步骤激 励致动器以引起搭扣构件抵抗由非线性施力构件施加的施力而沿着位移轴线朝向伸出位 置平移。该方法还可以包括以下步骤将搭扣构件的夹持端部与要夹持的部件配合。该方 法还可以包括以下步骤停止激励所述致动器以允许非线性施力构件的施力引起搭扣构件 沿着位移路径朝向退回位置平移。在一个实施例中，当非线性施力构件可以包括提供随着 偏移而使添加力减小的软化非线性弹簧时，激励致动器以引起搭扣构件抵抗由非线性施力 构件施加的施力而沿着位移轴线朝向伸出位置平移的步骤可以需要将来自致动器的添加 力按比例地减小以允许搭扣构件远离退回位置的移动。
权利要求
1.一种夹持件，包括 壳体；从所述壳体内延伸出的搭扣构件，并且所述搭扣构件可沿着位移轴线平移； 致动器，其安装至所述壳体并可与所述搭扣构件相关地进行动作以使所述搭扣构件沿 着所述位移轴线平移；以及非线性施力构件，其可与所述搭扣构件和所述壳体相关地进行动作，并且所述非线性 施力构件被布置为对所述的搭扣构件朝向退回位置施力。
2.根据权利要求1所述的夹持件，其中，所述非线性施力构件包括一组贝氏弹簧。
3.根据权利要求2所述的夹持件，其中，所述贝氏弹簧相对于彼此沿着单一方向堆叠。
4.根据权利要求2所述的夹持件，其中，所述贝氏弹簧中的相邻贝氏弹簧相对于彼此 沿着相反方向堆叠。
5.根据权利要求2所述的夹持件，其中，所述非线性施力构件包括一组三叶弹簧。
6.根据权利要求5所述的夹持件，其中，所述三叶弹簧相对于彼此沿着单一方向堆叠。
7.根据权利要求5所述的夹持件，其中，所述三叶弹簧中的相邻三叶弹簧相对于彼此 沿着相反方向堆叠。
8.根据权利要求1所述的夹持件，其中，所述致动器包括气动致动器。
9.根据权利要求1所述的夹持件，还包括与所述搭扣构件相邻的导引件，并且所述导 引件被布置为维持所述搭扣构件沿着位移轴线的直线平移并禁止所述搭扣构件在所述位 移轴线外移动。
10.根据权利要求1所述的夹持件，还包括与所述搭扣构件相邻的第一导引件和第二 导引件，并且所述第一导引件和所述第二导引件被布置为维持所述搭扣构件沿着位移轴线 的直线平移并禁止所述搭扣构件在所述位移轴线外移动。
11.根据权利要求10所述的夹持件，其中，所述第一导引件和所述第二导引件被布置 在从活塞的相对两侧向外延伸的杆部上。
12.根据权利要求1所述的夹持件，其中，所述壳体是缸。
13.根据权利要求1所述的夹持件，其中，所述搭扣构件可绕所述位移轴线旋转。
14.根据权利要求1所述的夹持件，还包括可与所述搭扣构件相关地进行动作的外部 旋转致动器。
15.根据权利要求1所述的夹持件，其中，所述非线性施力构件是软化非线性弹簧，所 述软化非线性弹簧提供了随着偏移减小的弹性力以允许所述搭扣构件随着按比例减小来 自所述致动器的添加力而远离所述退回位置的移动。
16.一种夹持件，包括 壳体；从所述壳体内延伸出的搭扣构件，并且所述搭扣构件可沿着位移轴线平移； 致动器，其安装至所述壳体并可与所述搭扣构件相关地进行动作以使所述搭扣构件沿 着所述位移轴线平移；施力构件，其可与所述搭扣构件和所述壳体相关地进行动作，并且所述施力构件被布 置为对所述的搭扣构件朝向退回位置施力；以及与所述搭扣构件相邻的第一导引件和第二导引件，并且所述第一导引件和所述第二导引件被布置为维持所述搭扣构件沿着位移轴线的直线平移并禁止所述搭扣构件在所述位 移轴线外移动。
17.根据权利要求16所述的夹持件，其中，所述第一导引件和所述第二导引件被布置 在从活塞的相对两侧向外延伸的杆部上。
18.根据权利要求16所述的夹持件，其中，所述致动器包括气动致动器。
19.根据权利要求16所述的夹持件，其中，所述壳体是缸。
20.一种操作夹持件的方法，包括以下步骤激励致动器以引起搭扣构件抵抗由非线性施力构件施加的施力而沿着位移轴线朝向 伸出位置平移；将所述搭扣构件的夹持端部与要夹持的部件配合；并且停止激励所述致动器以允许所述非线性施力构件的施力引起搭扣构件沿着位移路径 朝向退回位置平移。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，当所述非线性施力构件是提供随着偏移而使 添加力减小的软化非线性弹簧时，激励所述致动器以引起所述搭扣构件抵抗由所述非线性 施力构件施加的施力而沿着所述位移轴线朝向伸出位置平移的步骤需要将来自所述致动 器的添加力按比例地减小以允许搭扣构件远离退回位置的移动。
全文摘要
在一实施例中，提供了一种夹持件，包括壳体；从所述壳体内延伸出的搭扣构件，并且所述搭扣构件可沿着位移轴线平移；致动器，其安装至所述壳体并可与所述搭扣构件相关地进行动作以使所述搭扣构件沿着所述位移轴线平移；以及非线性施力构件，其可与所述搭扣构件和所述壳体相关地进行动作，并且所述非线性施力构件被布置为对所述的搭扣构件朝向退回位置施力。还揭示了其他实施例。
文档编号G01R31/01GK102124353SQ200980122195
公开日2011年7月13日 申请日期2009年4月13日 优先权日2008年4月11日
发明者唐纳德·伟-仲·邱, 约翰·威廉·安德勃格 申请人:惠瑞捷(新加坡)私人有限公司