CN111141199B - 用于指示测量装置探针位置的感应位置检测配置 - Google Patents

用于指示测量装置探针位置的感应位置检测配置 Download PDF

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Abstract

一种用于扫描探头中的探针位置测量的感应式位置检测器(IPD)包括在探针中沿中心轴线定位的两个基板，它们之间具有运动体积，其每一个包括N个旋转感测线圈(RSCs)和相应的轴向感测线圈配置(ASCC)。探针联接的导电扰动器在运动体积中沿Z(轴向)和X‑Y(旋转)方向移动。产生线圈(GC)产生变化的磁通量，其包含扰动器和线圈，且线圈信号指示扰动器和/或探针位置。扰动器的轴向投影限定具有ASCC的轴向感测重叠区域(ASOA)和具有相应的RSC的旋转感测重叠区域(RSOA)。IPD配置为使得ASOA独立于扰动器位置，且提供RSC的N个互补对(CP)，其中CP的两个线圈中的RSOA的变化的幅度对于任何扰动器位移相同。

Description

用于指示测量装置探针位置的感应位置检测配置
技术领域
本公开涉及精确计量，并且更具体地涉及用于与坐标测量机一起使用的探针的感应型感测配置。
背景技术
坐标测量机(CMM)可以获取被检查工件的测量值。在美国专利No.8,438,746中描述的一种示例性现有技术的CMM包括用于测量工件的探针、用于检测工件的探针、用于移动探针的移动机构、以及用于控制运动的控制器，所述美国专利No.8,438,746的全部内容通过引用并入本文。美国专利No.7,652,275描述了包括表面扫描探头的CMM，所述美国专利No.7,652,275全部内容通过引用并入本文。如其中所公开的，机械接触探针或光学探针可以跨越工件表面扫描。
美国专利6,971,183还描述了采用机械接触探针的CMM，所述美国专利6,971,183全部内容通过引用并入本文。其中公开的探针包括具有表面接触部分的探针、轴向运动机构和旋转运动机构。轴向运动机构包括移动构件，其允许接触部分在测量探针的中心垂直方向(也称为Z方向或轴向方向)上移动。旋转运动机构包括允许接触部分垂直于Z方向移动的旋转构件。轴向运动机构嵌入旋转运动机构的内部。接触部分位置和/或工件表面坐标是基于旋转构件的位移和轴向运动移动构件的轴向位移确定的。
感应式感测技术已知具有环境鲁棒性(robust)，并且具有各种理想的感测特性。已知使用精密LVDT等来测量与上述类似的机械接触探针中的各种内部元件的位移或位置。然而，LVDT和其他已知的足够精确地用于CMM探头的感应型传感器可能太大或难以并入，并且相关的运动机构和/或位移检测器布置可能相对昂贵和/或易受各种“交叉耦合”误差影响(例如，由于通常配置和/或机构和/或检测器缺陷等)。全部内容通过引用并入本文的美国专利No.4,810,966，(‘966专利)公开了一种相对平坦且相对经济的感应传感器配置，并且其可以检测附近的导电目标的三维位置。但是，'966专利中公开的配置在提供成功适应CMM扫描探头所必需的精度和/或形状因数方面存在一些设计缺陷。简而言之，'966专利的配置缺乏在诸如CMM探针的现代计量仪器中提供合理水平的精度所必需的复杂性和特征。与使用已知的感应感测系统相关的其他问题(例如上文在CMM探针中概述的那些问题)可包括系统的位移响应固有的信号/响应非线性、由于装配和对准不完全而导致的位置误差、以及由于环境因素对机械和电气部件造成的信号漂移(例如，由于温度变化等)。需要用于CMM探针的改进的感应感测配置(例如，其中位移检测器配置可不易受上述误差的影响，和/或可相对便宜等)。
发明内容
提供该发明内容是为了以简化的形式介绍将在以下具体实施方式中进一步描述的一些概念。该发明内容不旨在确定所要求保护的主题的关键特征，也不旨在用作帮助确定所要求保护的主题的范围。
提供了3轴响应的扫描探头，其用于测量机(例如，CMM)。扫描探头包括探针悬置部分、探针位置检测部分以及信号处理和控制电路。探针悬置部分附接到扫描探头的框架，且包括配置为刚性地联接到探针的探针联接部分以及探针运动机构，所述探针运动机构配置为允许探针联接部分沿着轴向方向的轴向运动以及探针联接部分围绕旋转中心的旋转运动。探针位置检测部分基于感应感测原理，且包括接收器线圈部分、扰动器配置和场产生线圈配置。
接收器线圈部分可以包括平坦的顶部线圈基板，其包括N个顶部旋转感测线圈(TRSC)和顶部轴向感测线圈配置(TASCC)，以及平坦的底部线圈基板，其包括N个底部旋转感测线圈(BRSC)和底部轴向感测线圈配置(BASCC)，其中N为至少为3的整数。顶部线圈基板和底部线圈基板以固定的关系安装到扫描探头的框架，底部线圈基板更靠近探针悬置部分。顶部线圈基板和底部线圈基板可以名义上彼此平行且名义上正交于中心轴线，且沿着中心轴线间隔开，扰动器运动体积位于其之间。
扰动器配置包括扰动器元件，其包括提供扰动器区域的导电板或导电回路。扰动器元件沿着中心轴线定位在顶部线圈基板和底部线圈基板之间的扰动器运动体积中，且通过联接配置联接到探针悬置部分。扰动器元件响应于探针悬置部分的偏转而相对于未偏转位置在扰动器运动体积中移动。扰动器元件可以描述为响应于轴向运动沿着轴向方向在操作运动范围+/-Rz内移动，且响应于旋转运动沿着近似正交于轴向方向的正交X和Y方向在相应的操作运动范围+/-Rx和+/-Ry内移动。
场产生线圈配置至少包括第一场产生线圈，其位于扰动器运动体积附近且其名义上是平坦的且正交于中心轴线。第一场产生线圈配置为使得第一场产生线圈的线圈区域沿轴向方向的投影包含提供扰动器区域的导电板或回路以及位于顶部线圈基板和底部线圈基板上的所有旋转和轴向感测线圈的线圈区域。场产生线圈配置被配置为响应于线圈驱动信号而在扰动器运动体积中大致沿着轴向方向产生变化的磁通量。
信号处理和控制电路可操作地连接到探针位置检测部分的线圈以提供线圈驱动信号，且配置为从接收器线圈部分输入信号，所述信号包括由位于顶部线圈基板和底部线圈基板上的相应的旋转和轴向感测线圈提供的相应的信号分量。其还配置为输出信号，所述信号指示扰动器元件或探针中的至少一个相对于扫描探头的框架或外壳的轴向位置或旋转位置。
本文公开了用于探针位置检测部分的特别有利的配置，其中：1)扰动器元件沿着轴向方向穿过顶部轴向感测线圈配置的内部线圈区域的投影限定顶部轴向感测重叠区域TASOA，扰动器元件沿着轴向方向穿过底部轴向感测线圈配置的内部线圈区域的投影限定底部轴向感测重叠区域BASOA，扰动器元件沿着轴向方向穿过任何相应的顶部旋转感测线圈TRSCi的内部线圈区域的投影限定相应的顶部旋转线圈感测重叠区域TRSCOAi，并且扰动器元件沿着轴向方向穿过任何相应的底部旋转感测线圈BRSCi的内部线圈区域的投影限定相应的底部旋转线圈感测重叠区域BRSCOAi，其中i是单独线圈识别指数，范围为1至N；2)接收器线圈部分和扰动器元件配置为提供顶部轴向感测重叠区域TASOA和底部轴向感测重叠区域BASOA，其中，重叠区域TASOA和BASOA中的每一个的量是不变的或独立于扰动器元件在操作运动范围+/-Rz，+/-Rx和+/-Ry内的位置；以及3)接收器线圈部分和扰动器元件配置为提供旋转感测线圈的N个互补对CPi，其各自包括顶部旋转感测线圈TRSCi和底部旋转感测线圈BRSCi，其中对于任何互补对CPi，对于操作运动范围+/-Rz，+/-Rx，和+/-Ry内的任何扰动器元件位移增量，与扰动器位移增量相关联的重叠区域TRSCOAi和BRSCOAi的变化的幅度在该互补对中名义上是相同的。
根据本文公开的原理，这种配置可以提供信号分量，其在消除或允许校正某些信号误差和/或信号交叉耦合误差方面特别有利，这些信号误差和/或信号交叉耦合误差限制了在基于感应式感测的已知经济型三维位置指示器中位置确定的精度。
在一些实施方式中，接收器线圈部分和扰动器元件进一步配置为，其中对于任何互补对CPi和操作运动范围+/-Rz，+/-Rx，和+/-Ry内的任何扰动器元件位移增量，与扰动器元件位移增量相关联的重叠区域TRSCOAi和BRSCOAi的变化的幅度和符号在该互补对中相同。在一些这样的实施方式中，接收器线圈部分配置为，其中每个互补对CPi包括顶部旋转感测线圈TRSCi和底部旋转感测线圈BRSCi，其特征在于，其内部区域的形状在沿着轴向方向投影时名义上重合。在其他这样的实施方式中，接收器线圈部分配置为，其中每个互补对CPi包括顶部旋转感测线圈TRSCi和底部旋转感测线圈BRSCi，其特征在于，如果它们中的一个的形状围绕中心轴线旋转以与另一个的围绕中心轴线的角度位置重合，然后沿着轴向方向投影，则其内部区域的形状将在名义上重合。
在各种实施方式中，接收器线圈部分和扰动器元件可以配置为，其中扰动器元件包括至少N个直侧，且对于任何相应的互补对CPi，扰动器元件的直侧中的相应的一个横切该相应的互补对的顶部旋转感测线圈TRSCi和底部旋转感测线圈BRSCi。在一些这样的实施方式中，N＝3且至少N个直侧包括3个侧边，其布置为平行于等边三角形的侧边。在其他这样的实施方式中，N＝4且至少N个直侧包括4个侧边，其布置为平行于矩形或正方形的侧边。
在一些实施方式中，顶部轴向感测线圈配置可以包括N个顶部旋转感测线圈的组合，且顶部轴向感测重叠区域TASOA包括与N个顶部旋转感测线圈相关联的单独的重叠区域TRSCOAi的总和，其中总和是不变的或独立于扰动器元件在操作运动范围+/-Rz，+/-Rx，和+/-Ry内的位置，即使组成其的单独的重叠区域TRSCOAi根据扰动器元件的位置而变化。类似地，底部轴向感测线圈配置可以包括N个底部旋转感测线圈的组合，且底部轴向感测重叠区域BASOA包括与N个底部旋转感测线圈相关联的单独的重叠区域BRSCOAi的总和，其中总和是不变的或独立于扰动器元件在操作运动范围+/-Rz，+/-Rx，和+/-Ry内的位置，即使组成其的单独的重叠区域BRSCOAi根据扰动器元件的位置而变化。
在一些实施方式中，顶部轴向感测线圈配置可以包括至少一个顶部轴向感测线圈，其不是N个顶部旋转感测线圈中的一个且其布置比顶部旋转感测线圈更靠近中心轴线，且至少一个顶部轴向感测线圈和扰动器元件的特征在于，至少一个顶部轴向感测线圈具有小于扰动器元件的内部线圈区域，且对于扰动器元件在操作运动范围+/-Rz，+/-Rx，和+/-Ry内的任何位置，扰动器元件沿着轴向方向的投影完全填充至少一个顶部轴向感测线圈的内部线圈区域，其中顶部轴向感测重叠区域TASOA不由于扰动器元件的位置而变化。类似地，底部轴向感测线圈配置可以包括至少一个底部轴向感测线圈，其不是所述N个底部旋转感测线圈中的一个且其布置比所述底部旋转感测线圈更靠近所述中心轴线，且所述至少一个底部轴向感测线圈和所述扰动器元件的特征在于，所述至少一个底部轴向感测线圈具有小于所述扰动器元件的内部线圈区域，且对于所述动器元件在所述操作运动范围+/-Rz，+/-Rx，和+/-Ry内的任何位置，所述扰动器元件沿着所述轴向方向的投影完全填充所述至少一个底部轴向感测线圈的内部线圈区域，其中所述底部轴向感测重叠区域BASOA不由于所述扰动器元件的位置而变化。在一些这样的实施方式中，至少一个顶部轴向感测线圈包括单个顶部感测线圈，其至少部分地围绕中心轴线，且至少一个底部轴向感测线圈包括单个底部感测线圈，其至少部分地围绕中心轴线。在一些实施方式中，顶部和底部轴向感测线圈可以配置为遵循(例如，以提供具有某些理想特性的轴向位置信号分量)：顶部和底部轴向感测线圈可以限定轴向感测线圈内切圆柱，其限定为与中心轴线同心且具有一半径，所述半径为可以内切在顶部和底部轴向感测线圈的边缘内的最大半径。扰动器内切圆柱限定为与中心轴线同心且具有一半径，所述半径为可以内切在扰动器元件的边缘内的最大半径。在各种实施方式中，可能希望(但不是必须)的是，扰动器内切圆柱的半径可以至少是轴向感测线圈区域内切圆柱的半径的1.1倍。在一些实施方式中，可能希望(但不是必须)的是，扰动器内切圆柱的半径可以至少是轴向感测线圈区域内切圆柱的半径的1.2倍或1.5倍。
在一些实施方式中，接收器线圈部分和扰动器元件进一步配置为，其中对于至少一个互补对CPi和操作运动范围+/-Rz，+/-Rx，和+/-Ry内的任何扰动器元件位移增量，与扰动器位移增量相关联的重叠区域TRSCOAi和BRSCOAi的变化的符号在该互补对中相反。这样的实施方式可能与其中和扰动器位移增量相关联的重叠区域TRSCOAi和BRSCOAi的变化的符号在该互补对中相同的实施方式相比具有某些缺点。然而，通过适当的信号处理，与已知的感应型感测配置相比，这样的实施方式仍可为在扫描探头中的使用提供某些优势。在一些这样的实施方式中，接收器线圈部分可以配置为，其中每个互补对CPi包括顶部旋转感测线圈TRSCi和底部旋转感测线圈BRSCi，其特征在于，如果它们中的一个的形状围绕中心轴线旋转一偏移角度以与另一个的围绕中心轴线的角度位置重合，然后沿着轴向方向投影，则其内部区域的形状将在名义上重合。在一些这样的实施方式中，扰动器元件可以包括至少N对平行的直侧，且对于任何相应的互补对CPi，一对平行的直侧中的第一个横切所述顶部旋转感测线圈TRSCi，且该对平行的直侧中的第二个横切该相应的互补对的底部旋转感测线圈BRSCi。在一些这样的实施方式中，N＝3，且N对平行的直侧布置为平行于正六边形的侧边。
在各种实施方式中，移动构件联接到扰动器元件和探针联接部分，移动元件大致沿着中心轴线延伸且穿过沿着中心轴线位于底部线圈基板中的孔。
在各种实施方式中，场产生线圈配置包括以下中的至少一个：a)单个平坦的场产生线圈，其近似位于扰动器运动体积的中平面处且其为名义上平坦的且正交于中心轴线，或b)一对平坦的场产生线圈，其沿着中心轴线距扰动器运动体积的中平面近似等距地定位，且其为名义上平坦的且正交于中心轴线。
先前公知的利用名义上平坦的感测元件的感应传感器对于在精确的扫描探头中的应用来说太不准确。与之相比，利用根据本文公开和要求保护的各种原理配置的名义上平坦的感测元件的感应传感器提供了一组稳健的信号，并且可用于提供足够的精度以用于精确的扫描探头中的应用。特别地，诸如以上概述的实施方式和/或配置可以提供信号分量，其在消除或允许校正某些信号误差和/或信号交叉耦合误差方面特别有利，这些信号误差和/或信号交叉耦合误差先前限制了在基于感应式感测的先前经济型三维位置指示器中位置确定的精度。在根据本文公开和要求保护的各种原理的各种实施方式中，由各种接收器线圈提供的信号分量特别有利，因为它们可以使用相对快速和简单的信号处理来处理，以便提供稳健且高度精确的三维位置指示。
附图说明
图1是示出测量系统的各种典型部件的图示，该测量系统包括利用诸如本文所公开的扫描探头的CMM；
图2是示出联接到CMM并提供旋转和轴向位置信号的扫描探头的各个元件的框图；
图3是示出与探针联接的探针悬置部分的第一示例性实施方式的部分和用于检测探针悬置部分的位置的探针位置检测部分的第一示例性实施方式的图示；
图4是示出了图3的探针悬置部分的一个实施方式的截面的图示，如包含在扫描探头的主体框架内；
图5是图3和图4所示的探针位置检测部分的替代实施方式的局部示意性等距图，其强调了根据本文公开的原理的某些方面；
图6是图5所示的探针位置检测部分的某些元件的局部示意性等轴图，包括与根据本文公开的原理的处理和控制电路的一个示例性实施方式的框图的示意性表示的连接；
图7A-7E是表示根据本文公开的原理的接收器线圈部分的图案和扰动器元件配置的相应的“4互补对”实施方式的图示，其可用于图3和/或图4所示的探针位置检测部分的各种实施方式中；
图8A-8F是表示根据本文公开的原理的接收器线圈部分的图案和扰动器元件配置的相应的“3(或6)互补对”实施方式的图示，其可用于图3和/或图4所示的探针位置检测部分的各种实施方式中。
具体实施方式
图1是示出测量系统100的各种典型部件的图示，该测量系统包括利用诸如本文所公开的扫描探头300的CMM 200。测量系统100包括操作单元110、控制CMM 200的运动的运动控制器115、主计算机120和CMM 200。操作单元110联接到运动控制器115，并且可以包括用于手动操作CMM 200的操纵杆111。主计算机120联接到运动控制器115，并且操作CMM 200和处理工件W的测量数据。主计算机120包括用于输入例如测量条件的输入装置125(例如键盘等)和用于输出例如测量结果的输出装置130(例如显示器、打印机等)。
CMM 200包括位于表面板210上的驱动机构220以及用于将扫描探头300附接到驱动机构220的附接部分224。驱动机构220分别包括X轴、Y轴和Z轴滑动机构222、221和223，用于使扫描探针300三维地移动。附接到扫描探头300的端部的探针306包括接触部分348。如下面将更详细描述的，探针306附接到扫描探头300的探针悬置部分，当接触部分348沿着工件W的表面上的测量路径移动时，这允许接触部分348在三个方向上自由地改变其位置。
图2是示出联接到CMM 200并提供旋转(例如，X，Y)和轴向(例如，Z)位置信号的扫描探头300的各个元件的框图。扫描探头300包括探针主体302(例如，包括框架)，其并入探针悬置部分307和探针位置检测部分311。探针悬置部分307包括探针连接部分342和探针运动机构309。探针联接部分342刚性地联接至探针306。探针运动机构309配置为允许探针联接部分342和附接的探针306沿轴向方向的轴向运动，并允许探针联接部分342和附接的探针306围绕旋转中心的旋转运动，以下将结合图3和图4进行详细说明。包括在扫描探头300中的信号处理和控制电路380连接至探针位置检测部分311并控制其操作，并且可以执行相关的信号处理，所有这些将在下面更详细地描述。
如图2所示，探针位置检测部分311采用感应式感测原理，且包括接收器线圈部分370、场产生线圈配置360和扰动器元件351(它可以是扰动器配置350的一部分，扰动器配置350在某些实施方式中可以包括多个部分)。接收器线圈部分370可以包括旋转感测线圈部分(也称为旋转感测线圈)RSC和轴向感测线圈配置ASCC。简而言之，运动的扰动器元件351(或更一般而言，扰动器配置350)在由场产生线圈配置360产生的变化磁场中引起位置相关的变化。接收器线圈部分370响应于变化的磁场以及由扰动器元件351在其中引起的变化。特别地，旋转感测线圈部分RSC在对应的信号线上至少输出第一和第二旋转信号分量RSig，其指示探针联接部分342的旋转位置(例如，X和Y位置信号)，且轴向感测线圈配置ASCC在对应的信号线上输出一个或多个轴向信号分量ASig，其指示探针联接部分342的轴向位置(例如，Z位置信号)，如将在下面例如参考图3、5和6更详细地描述的。在各种实施方式中，信号处理和控制电路380接收旋转信号分量RSig和轴向信号分量ASig，并且可以在各种实施方式中执行各种级别的相关信号处理。例如，在一种实施方式中，信号处理和控制电路380可以使来自各种接收器线圈的信号分量以各种关系被组合和/或处理，并通过附接接部分224按所需的输出格式提供结果，作为旋转和轴向位置信号输出RPSOut和APSOut。一个或多个接收部分(例如在CMM 200、运动控制器115、主计算机120等中)可以接收旋转和轴向位置信号输出RPSOut和APSOut，且一个或多个相关的处理和控制部分可以用于当探针306的接触部分348沿着被测工件W的表面移动时，确定探针联接部分342和/或附接的探针206的接触部分的三维位置。
图3是局部示意图，示出了联接到探针406的示意性地示出的探针悬置部分407的第一示例性实施方式的部分，以及用于检测探针悬置部分407和/或探针406的位置的探针位置检测部分411的第一示例性实施方式的局部示意性截面。将理解的是，图3的某些编号的部件4XX可以对应于和/或具有与图2的类似编号的对应部件3XX类似的操作，并且可以通过类推或者还根据如以下另外描述来理解。这种用于指示具有类似设计和/或功能的元件的编号方案也适用于下面的图4-8F。如图3所示，探针悬置部分407包括探针运动机构409和探针联接部分442。探针联接部分442配置为刚性地联接至探针406，探针406具有用于接触工件W的表面S(未示出)的接触部分448。
如将在下文关于图4更详细地描述的，探针运动机构409附接至扫描探头的框架，且配置为允许探针联接部分442和附接的探针406的轴向和旋转运动，使得接触部分448可以沿着表面S的形状在三个方向上改变其位置。为了便于说明，图3中纸面上的竖直和水平方向分别定义为Z和Y方向，并且，将与纸面垂直的方向定义为X方向。在此图中，测量探针300的中心轴线CA的方向(也称为轴向方向)与Z方向重合。
在图3中，示出了探针运动机构409的旋转运动部分，包括旋转构件436、挠曲元件440和设置在旋转构件436内的移动构件412。如将在下面参照图4更详细地描述的，挠曲元件440允许旋转构件436围绕旋转中心RC的旋转运动。如将在下面更详细地描述的，在各种实施方式中，旋转感测线圈TRSCi和BRSCi(其中i是识别具体线圈的指数整数)，且探针位置检测部分411能够感测扰动器元件451的旋转位置且从而感测移动构件412的旋转位置(例如，在X和Y方向上)，且轴向感测线圈配置(也称为轴向感测线圈)TASCC和BASCC能够感测扰动器元件451的轴向位置且从而感测移动构件412的轴向位置(例如，在Z方向上)。
如图3所示，探针位置检测部分411的第一示例性实施方式包括扰动器元件451(或更一般地，扰动器配置450)，其联接到移动构件412，且其在分别位于顶部和底部线圈基板471T和471B之间的扰动器运动体积MV内相对于扫描探头框架(例如，其中框架作为扫描探头本体的一部分被包括，等等)移动。如图3所示，移动构件412延伸穿过底部线圈基板(471B)中的沿着中心轴线CA的孔472并在其中移动。响应于探针悬置部分407和移动构件412的偏转，附接的扰动器元件451相对于未偏转位置UNDF在扰动器运动体积MV中移动。
探针位置检测部分411的各种其他部件，例如接收器线圈部分470和场产生线圈配置460，可以相对于框架固定，除非另有说明。在图3所示的实施方式中，场产生线圈配置460包括单个平坦的场产生线圈461，其近似位于扰动器运动体积MV的中平面处，且其名义上是平坦的且正交于中心轴线CA。如先前参考图2概述的，接收器线圈部分470可以大致包括旋转感测线圈部分(也称为旋转感测线圈)RSC和轴向感测线圈配置ASCC。旋转位置检测配置RSC大致包括顶部旋转感测线圈TRSCi和底部旋转感测线圈BRSCi。在图3所示的截面中，仅示出了两个顶部旋转感测线圈TRSC1和TRSC2，以及两个底部旋转感测线圈BRSC1和BRSC2。这些旋转感测线圈可以提供信号分量，其指示扰动器元件451沿Y方向的位置。特别地，它们的信号分量根据扰动器元件451沿Y方向的位移ΔY的量而变化，且因此指示位移ΔY的量。位移ΔY确定扰动器元件451与各个旋转感测线圈TRSCi和BRSCi之间的相关的“重叠”的量，且从而确定它们与场产生线圈461产生的变化磁场的耦合量(其确定产生的信号分量)。其他旋转感测线圈(未示出)可以提供信号分量，其指示扰动器元件451沿X轴方向的位置。各种旋转感测线圈信号分量也可能对于其相对于扰动器元件451的局部“操作间隙”OG不期望地灵敏，如图3对于顶部旋转感测线圈TRSC2所表示的。然而，如下文进一步描述的，根据本文公开的各种原理，可以基本上消除或补偿这种不期望的间隙灵敏度。
轴向感测线圈配置大致包括顶部轴向感测线圈配置TASCC和底部轴向感测线圈配置BASCC。在图3所示的示例性实施方式中，顶部轴向感测线圈配置TASCC包括单个顶部轴向感测线圈，其至少部分地围绕中心轴线CA，且至少一个底部轴向感测线圈包括单个底部轴向感测线圈，其至少部分地围绕中心轴线，如图所示。这些轴向感测线圈通常被扰动器元件451完全“重叠”。因此，它们的信号分量名义上仅响应于扰动器元件451沿轴向或Z方向的位置，并且指示扰动器元件451沿Z方向的位置。下面参考图5和6更详细地描述各种信号分量的产生。
与先前参考图2概述的操作类似，在操作中，移动扰动器元件451在由场产生线圈461产生的沿轴向方向的变化磁场中引起位置相关的局部变化。接收器线圈部分470响应于变化的磁场以及由扰动器元件451在其中引起的变化，且输出旋转信号分量RSigs和轴向信号分量ASig，其可以被处理以确定扰动器元件451的旋转位置(例如，Y和X位置，及对应的信号)和其轴向位置(例如，Z位置)，如先前参考图2概述的，且如下文详细描述的。应当理解，扰动器元件451的位置通过已知的几何形状与探针联接部分442和/或它的接触部分448的位置相关。例如，对于小的旋转角度，对于扰动器元件451沿Y方向远离零点(例如，从未偏转位置UNDF)的所示的运动或位置)：
ΔY＝HθY(等式1)
其中H是从旋转中心RC到扰动器元件451的名义平面的距离，θY是旋转构件436(以及移动构件142)在平行于Y方向的平面中的旋转运动倾斜(即，在旋转中心RC处围绕平行于X轴的轴线的旋转)。如果在各种实施方式中使用较大的旋转角度，则可以使用对于较大的旋转角度准确的类似表达式，如本领域中已知的。相对于旋转运动倾斜分量θY，远离探针406的接触部分448的零点(例如，对应于未偏转位置UNDF)的Y方向运动或位移YSTYLUS可以近似为：
ΔYSTYLUS＝θY*(hS+lS)(等式2)
其中hS是从探针联接部分442的端部到旋转中心RC的距离，lS是探针406的长度。组合等式1和2，扰动器元件451的位移ΔY相对于接触部分448处的Y方向位移的比例可以近似为：
ΔY/ΔYSTYLUS＝H/(hS+lS)(等式3)
可以理解的是，X坐标运动分量与以上表达式类似，在此不再赘述。可以在等式中利用各种探针的探针长度lS(例如，相对于系统的三角学)，以基于X-Y检测到的光斑位置来确定接触部分448的X-Y位置。关于Z坐标位移或位置分量，在探针接触部分(例如，接触部分448)处相对于Z方向的位移ΔZSTYLUS、扰动器元件451沿轴向或Z方向远离零点(例如，对应于未偏转位置UNDF)的位移ΔZ(未示出)可以近似为：
ΔZ/ΔZSTYLUS≈1(等式4)
图4是局部示意图，示出了可用作图3所示的探针悬置部分407的探针悬置部分407’的一个实施方式的截面图类似于图3所示的探针位置检测部分411的探针位置检测部分511的一个实施方式，以及信号处理和控制电路480。前述元件被示为包括在扫描探头400的探针主体402的框架408内。可以使用对准和安装部分417或其他技术，来定位探针位置检测部分511的基板571T、571B、以及场产生线圈561或其基板(例如印刷电路型基板)，以在扫描探头400中进行正确的操作。根据已知的技术，与探针位置检测部分511相关联的各种信号连接可以由连接器(例如，柔性印刷和/或电线连接)419等提供。在一些实施方式中，一些或全部信号处理和控制电路480可以被提供为如图4所示的单独的电路组件。在其他实施方式中，如果需要，一些或全部信号处理和控制电路480可以组合在探针位置检测部分511的基板上。
如图4所示，探针悬置部分407’包括探针运动机构409和联接到探针406的探针联接部分442。探针运动机构409可以包括移动构件412、旋转构件436、挠曲元件440，其联接到主体框架408，用于支撑并实现旋转构件436的旋转运动、以及挠曲元件414和415(即，称为第一挠曲元件)，其支撑移动构件412并将其联接到旋转构件36，以实现移动构件412的轴向运动。扫描探头400包括探针位置检测部分511，其具有以下参考图5更详细描述的部件和操作，用于确定探针406的探针运动机构409和/或接触部分448的位置和/或运动。
挠曲元件440(即，称为第二挠曲元件)可以在轴向方向O上设置在一对挠曲元件414和415(即，称为第一挠曲元件)的相应的平面之间。适于挠曲元件414、415和440的挠曲设计可以根据本领域已知的原理来确定。例如，在2015年12月17日提交的共同待决且共同转让的题为“Measurement Device With Multiplexed Position Signals”的美国专利申请No.14/973,376中示出了一种可能的实施方式，该申请的全部内容通过引用并入本文。旋转构件436可以具有关于第二挠曲元件440对称的形状，并且可以一体地包括：两个环部436A、两个连接部分436B、以及圆柱部分436C。第一挠曲元件414的外围部分固定到环部436A。连接部分436B在环部436A的内部延伸，以连接到具有中空中心的圆柱部分436C。第一挠曲元件414和415可以相对于第二挠曲元件440以对称的距离设置，尽管这样的实施方式仅是示例性的而不是限制性的。
包括移动构件412的轴向运动机构410支撑在旋转构件436的内部，并且旋转构件436和轴向运动机构410一起构成作为探针运动机构409的一部分的运动模块。轴向运动机构410允许接触部分448在轴向方向O上移动。包括转动构件436的旋转运动机构434允许探针406的接触部分448通过围绕旋转中心RC的旋转运动横向(例如，近似垂直)于轴向方向O移动。
移动构件412一体地包括：下部412A、杆部412B以及上部412C。如先前参考图3所概述的，且如下面参考图5所示的探针位置检测部分511更详细地描述的，附接到移动构件412的上部412C的扰动器元件551用作旋转和轴向位置指示元件。杆部412B设置在一对第一挠曲元件414和415之间。杆部412B容纳在旋转构件436中。下部412A形成在杆部412B的下方，并且探针联接部分442(例如，凸缘构件)附接到下部412A。凸缘部分444被提供以用于附接探针406。凸缘部分444和探针联接部分442可以一起构成可拆卸的联接机构(例如，已知类型的运动学接头或联接)，其允许各种探针406和探针联接部分442之间以可重复的定位进行附接或拆卸(例如，在碰撞中撞下探针的情况，或故意改变探针)。
图5是类似于图4中所示的探针位置检测部分511的探针位置检测部分511’的替代实施方式的局部示意性等距图，其强调了根据本文公开的原理的某些方面。探针位置检测部分511'和511相似，除了场产生线圈配置560有所不同，这将在下面进一步说明。通常，探针位置检测部分511'包括与图2、3和4的探针位置检测部分311、411和511的部件相似的某些部件，并且将被理解为类似地操作，除非下面另有说明。
在图5所示的实施方式中，探针位置检测部分511'包括接收器线圈部分570、包括扰动器元件551的扰动器配置550、以及场产生线圈配置560。
在各种实施方式中，扰动器元件551(或更一般而言，扰动器配置550)可包括导电板或导电回路，或平行的导电板或导电回路(例如，制造在印刷电路板的两侧上制造，通过印刷电路板制造技术来图案化)或提供扰动器区域(例如其内部区域)的任何其他所需的操作配置。扰动器元件551沿着中心轴线CA定位在顶部和底部线圈基板571T和571B之间的扰动器运动体积MV中，且通过联接配置(例如，包括移动构件512)联接到探针悬置部分507。为了解释的目的，我们可以将扰动器元件551描述为响应于探针悬置部分507和/或探针506和/或移动构件512的偏转而相对于图5所示的未偏转位置(见图3中的未偏转位置UNDF)移动。扰动器元件可以被描述为响应于轴向运动而沿着轴向方向在操作运动范围+/-Rz内以位移增量ΔZ移动，且响应于旋转运动而沿着正交于轴向方向(Z方向)的正交X和Y方向在相应的操作运动范围+/-Rx和+/-Ry内以位移增量ΔX和ΔY移动。规定的或预期的操作运动范围在下面更详细地描述。
接收器线圈部分570可以包括平坦的顶部线圈基板571T，其包括N个顶部旋转感测线圈TRSC(例如，TRSC1-TRSC4，其中N＝4)、顶部轴向感测线圈配置TASCC(例如，在该实施方式中，包括单个所示的单独线圈)，以及平坦的底部线圈基板571B，其包括N个底部旋转感测线圈BRSC(例如，BRSC1-BRSC4，其中N＝4)，及底部轴向感测线圈配置BASCC(例如，在该实施方式中，包括单个所示的单独线圈)。顶部和底部线圈基板571T和571B以固定的关系安装到扫描探头的框架，底部线圈基板更靠近探针506和/或探针悬置部分507。顶部和底部线圈基板571T和571B可以名义上彼此平行且名义上正交于中心轴线CA，且沿着中心轴线CA间隔开，扰动器运动体积MV位于其之间。应当理解，尽管为了简化说明，图5所示的各种感测线圈由“闭环”表示，但是所有线圈都包括具有第一和第二连接端(例如，如图6所示)的绕组或导体，其配置为作为一个或多个电感耦合的“匝(turn)”工作。
场产生线圈配置(例如，场产生线圈配置560)大致至少包括第一场产生线圈，其位于扰动器运动体积MC附近且其名义上是平坦的且正交于中心轴线CA。相较于图3所示实施方式中的单个平坦的场产生线圈461(其近似位于扰动器运动体积MV的中平面处)，在图5所示的实施方式中，场产生线圈配置560包括一对平坦的场产生线圈561T和561B(分别位于顶部和底部线圈基板571T和571B上)，它们沿着中心轴线CA距扰动器运动体积MV的中平面近似等距，且它们名义上是平坦的且正交于中心轴线CA。通常来说，若场产生线圈配置至少包括第一场产生线圈，所述第一场产生线圈配置为使得其线圈区域沿轴向方向(Z方向)的投影包含提供扰动器配置560的(例如，扰动器元件551的)扰动器区域的导电板或回路以及位于顶部和底部线圈基板571T和571B上的所有旋转和轴向感测线圈RSCi和ASCC的线圈区域，则场产生线圈配置460或560可以与接收器线圈部分570(或本文公开的其他接收器线圈部分)一起使用。在这种情况下，场产生线圈配置被配置为响应于线圈驱动信号在扰动器运动体积MV中大致沿着轴向方向产生变化的磁通量，如探针位置检测部分511’的操作所需的。应当理解，尽管为了简化说明，图5中所示的各种场产生线圈由包括宽的扁平导电迹线(示出了其边缘)的单个“闭环”表示，但在实际装置中，所有线圈都包括具有第一和第二连接端(例如，如图6所示)的绕组或导体，并配置为作为一个或多个场产生“匝”工作。
如图5所示，扰动器元件551沿轴向方向(例如，如图5中的细虚线PRJ所示)穿过顶部轴向感测线圈配置TASCC的内部线圈区域的投影限定顶部轴向感测重叠区域TASOA(由填充内部线圈区域的点图案表示)，且扰动器元件551沿着轴向方向穿过底部轴向感测线圈配置BASCC的内部线圈区域的投影限定底部轴向感测重叠区域BASOA(由填充内部线圈区域的点图案表示)。类似地，扰动器元件551沿轴向方向穿过任何相应的顶部旋转感测线圈TRSCi(例如，TRSC1-TRSC4)的内部线圈区域的投影限定相应的顶部旋转线圈感测重叠区域TRSCOAi(例如，TRSCOA1-TRSCOA4)，如图5所示的填充各个相应的重叠区域的点图案表示的，其中i是范围为1至N的单独线圈识别指数。扰动器元件551沿轴向方向穿过任何相应的底部旋转感测线圈BRSCi的内部线圈区域的投影限定相应的底部旋转线圈感测重叠区域BRSCOAi(例如，TRSCOA1-TRSCOA4)，如图5所示的填充各个相应的重叠区域的点图案所示的。
根据本文描述和要求保护的原理，关于探针位置检测部分(例如，511’)中的轴向检测位置，接收器线圈部分(例如，570)和扰动器元件配置为提供顶部轴向感测重叠区域TASOA和底部轴向感测重叠区域BASOA，其中，重叠区域TASOA和BASOA中的每一个的量是不变的或独立于扰动器元件551在操作运动范围+/-Rz，+/-Rx和+/-Ry内的位置。(应当理解，对于特定的扫描探头，可以结合探针的特定探针位置检测部分的配置来规定或指定操作运动范围，以满足此要求。)以此方式，在顶部和底部轴向感测线圈配置TASCC和BASCC中产生的信号分量名义上独立于旋转运动(其为扰动器元件551沿X和Y方向的位置)，且名义上仅对扰动器元件551的“接近度”或间隙的变化灵敏，其根据扰动器元件551的轴向(Z)位移或位移ΔZ变化。在操作中，由场产生配置560的变化的磁场在扰动器元件551中感应的电流引起相反的磁场。通常来说，随着扰动器元件551沿图5中的轴向(Z)方向向上移动，相反的磁场会更强烈地耦合到顶部轴向感测线圈配置TASCC，从而减小了其因变化的磁场而产生的信号分量。相反，相反的磁场与底部轴向感测线圈配置的BASCC耦合更弱，从而增加了其因变化的磁场而产生的信号分量。根据本公开中使用的惯例，我们可以将信号分量SIGTASCC称为由特定的顶部感测线圈配置(或线圈)TASCC产生的信号分量，等等。
应当理解，在未偏转位置UNDF处，净信号分量SIGTASCC和SIGBASCC可以近似平衡。对于较小的位移ΔZ(例如在操作中预期的)，净信号分量SIGTASCC和SIGBASCC可以近似线性地变化，并且彼此相反。与这些信号的非线性程度有关的某些考虑因素将在下面进一步讨论。在一种实施方式中，轴向位移或位置ΔZ可以由以下信号关系表示或与其对应：
ΔZ＝[(SIGBASCC-SIGTASCC)/(SIGBASCC+SIGTASCC)]的函数(等式5)
该信号关系仅是示例性的，而不是限制性的。在各种实施方式中，如果需要，可以通过附加的校准或信号处理操作来调节或补偿该信号关系，包括减少各种位移方向或信号分量之间的几何和/或信号交叉耦合的影响的操作。在各种实施方式中，顶部轴向感测线圈配置可以包括至少一个顶部轴向感测线圈，其不是N个顶部旋转感测线圈中的一个且其布置比顶部旋转感测线圈更靠近中心轴线，且至少一个顶部轴向感测线圈和扰动器元件的特征在于，至少一个顶部轴向感测线圈具有小于扰动器元件的内部线圈区域，且对于扰动器元件在操作运动范围+/-Rz，+/-Rx，和+/-Ry内的任何位置，扰动器元件沿着轴向方向的投影完全填充至少一个顶部轴向感测线圈的内部线圈区域，其中顶部轴向感测重叠区域TASOA不由于扰动器元件的位置而变化。类似地，在各种这样的实施方式中，底部轴向感测线圈配置可以包括至少一个底部轴向感测线圈，其不是所述N个底部旋转感测线圈中的一个且其布置为比所述底部旋转感测线圈更靠近所述中心轴线，且所述至少一个底部轴向感测线圈和所述扰动器元件的特征在于，所述至少一个底部轴向感测线圈具有小于所述扰动器元件的内部线圈区域，且对于所述扰动器元件在所述操作运动范围+/-Rz，+/-Rx，和+/-Ry内的任何位置，所述扰动器元件沿着所述轴向方向的投影完全填充所述至少一个底部轴向感测线圈的内部线圈区域，其中所述底部轴向感测重叠区域BASOA不由于所述扰动器元件的位置而变化。可以看出，图5所示的探针位置检测部分511'的具体实施方式(其中顶部轴向感测线圈配置TASCC和底部轴向感测线圈配置BASCC均包含单个感测线圈)符合此描述。应当理解，可以使用顶部和底部感测线圈配置TASCC和BASCC的各种配置，图5中所示的特定配置仅是示例性的，而不是限制性的。下文参考其他附图描述了各种替代配置。
根据本文描述和要求保护的原理，关于探针位置检测部分(例如，511’)中的旋转位置检测，接收器线圈部分(例如，570)和扰动器元件(例如，551)大致配置为提供旋转感测线圈的N个互补对CPi(例如，CP1-CP4，其中N＝4)，其各自包括顶部旋转感测线圈TRSCi和底部旋转感测线圈BRSCi，其中对于任何互补对CPi，且对于操作运动范围+/-Rz、+/-Rx和+/-Ry内的任何扰动器元件位移增量，与扰动器位移增量相关联的重叠区域TRSCOAi和BRSCOAi的变化的幅度在该互补对中名义上是相同的。(应当理解，对于特定的扫描探头，可以结合其特定探针位置检测部分的配置来规定或指定操作运动范围，以满足此要求。)图5中的表CPTable指示了图5中所示的实施方式的每个相应的互补对CPi的相应的构件TRSCi和BRSCi。
通过符合前述原理，图5所示的互补对CPi可以用于补偿或消除某些交叉耦合误差，和/或简化所需的信号处理以提供精确的旋转位置或位置测量(例如，沿着X和/或Y方向)。特别地，在图5所示的实施方式中的旋转感测线圈的互补对CPi中所引起的信号分量的对可以以一关系进行组合或处理，所述关系提供所得到的信号，该信号在名义上对互补对的各个线圈和扰动器元件551之间的“接近度”或间隙的变化不灵敏。也就是说，得到的信号可以对扰动器元件551的轴向(Z)位置或位移ΔZ不灵敏，并且名义上仅对旋转位置或位移(例如，沿X和/或Y方向)灵敏，如在下面更详细地描述。对于图5所示的特定实施方式，可以理解的是，扰动器元件551的位置(其具有沿Y轴方向的位移分量ΔY)将增加(或减少)互补对CP2中的重叠区域TRSCOA2和BRSCOA2，并减少(或增加)互补对CP1中的重叠区域TRSCOA1和BRSCOA1。类似地，扰动器元件551的位移(其具有沿X轴方向的位置分量ΔX)将增加(或减少)互补对CP3中的重叠区域TRSCOA3和BRSCOA3，并减少(或增加)互补对CP4中的重叠区域TRSCOA4和BRSCOA4。
如先前概述的，在操作中，由场产生配置560的变化的磁场在扰动器元件551中感应出的电流引起相反的磁场。通常来说，随着扰动器元件551的近端部分沿着轴向方向靠近旋转感测线圈，在任何旋转感测线圈TRSCi(好或BRSCi)中产生的信号分量SIGTRSCi(或SIGBRSCi)将减少，或增加其与旋转感测线圈的重叠TRSCOAi(或BRSCOAi)。
应当理解，对于图5所示的互补对CP1-CP4(其中互补对CPi中的线圈可以相同并且沿着轴向方向对齐)，在所示的未偏转位置UNDF处，每个互补对中的信号分量(例如，SIGTRSC1和)可以近似平衡。根据先前概述的原理，对于扰动器元件551靠近互补对(例如，CP1)的部分，对于小的位移ΔZ(例如在操作中预期的)，净信号分量(例如，SIGTRSC1和SIGBRSC1)可以近似线性地变化，并且彼此相反。因此，互补对CPi的这种信号的总和可以名义上对与扰动器元件551的近端部分相关联的ΔZ不灵敏。另外，在图5所示的实施方式中，扰动器元件551可以平行于X和Y方向，使得在操作运动范围+/-Rx和+/-Ry内，Y方向位移分量不会改变旋转线圈感测重叠区域TRSCOA3，BRSCOA3，和/或TRSCOA4和BRSCOA4，且X方向位移分量不会改变旋转线圈感测重叠区域TRSCOA2，BRSCOA2，和/或TRSCOA1和BRSCOA1。因此，在一个实施方式中，沿X方向的旋转位移或位置分量ΔX可以由以下信号关系表示或与其对应，理想地与ΔZ和/或ΔY无关：
ΔX＝[(SIGTRSC3+SIGBRSC3)-(SIGTRSC4+SIGBRSC4)]÷
[(SIGTRSC3+SIGBRSC3)+(SIGTRSC4+SIGBRSC4)]的函数
(等式6)
类似地，在一个实施方式中，沿Y方向的旋转位移或位置分量ΔY可以由以下信号关系表示或与其对应，理想地与ΔZ和/或ΔX无关：
ΔY＝[(SIGTRSC2+SIGBRSC2)-(SIGTRSC1+SIGBRSC1)]÷
[(SIGTRSC2+SIGBRSC2)+(SIGTRSC1+SIGBRSC1)]的函数
(等式7)
这些信号关系仅是示例性的，不是限制性的。在各种实施方式中，如果需要，可以通过附加的校准或信号处理操作来调节或补偿该信号关系，包括减少各种位移方向或信号分量之间的几何和/或信号交叉耦合的影响的操作。
在一些特别有利的实施方式中，接收器线圈部分(例如，570)和扰动器元件(例如，551)配置为，其中对于任何互补对CPi和操作运动范围+/-Rz，+/-Rx，和+/-Ry内的任何扰动器元件位移增量，与扰动器元件位移增量相关联的重叠区域TRSCOAi和BRSCOAi的变化的幅度和符号在该互补对中相同。在一些这样的实施方式中，接收器线圈部分配置为，其中每个互补对CPi包括顶部旋转感测线圈TRSCi和底部旋转感测线圈BRSCi，其特征在于，其内部区域的形状在沿着轴向方向投影时名义上重合。可以看出，图5所示的探针位置检测部分511’的特定实施方式符合该描述。然而，应当理解，可以使用互补对的各种配置，并且图5所示的特定配置仅是示例性的，而不是限制性的。下文参考其他附图描述了各种替代配置。
在一些特别有利的实施方式中，接收器线圈部分(例如，570)和扰动器元件(例如，551)可以配置为，其中扰动器元件包括至少N个直侧，且对于任何相应的互补对CPi，扰动器元件的直侧中的相应的一个横切该相应的互补对的顶部旋转感测线圈TRSCi和底部旋转感测线圈BRSCi二者。在一些这样的实施方式中，N＝4且至少N个直侧包括4个侧边，其布置为平行于矩形或正方形的侧边。可以看出，图5所示的探针位置检测部分511’的特定实施方式符合该描述。然而，应当理解，可以使用互补对配置和扰动器元件边缘配置的各种组合，并且图5所示的特定配置的组合仅是示例性的而不是限制性的。下文参考其他附图描述了配置的各种替代组合。
图6是图5所示的探针位置检测部分511’的某些元件的局部示意性等轴图，包括至根据本文公开的原理的信号处理和控制电路680的一种示例性实施方式的框图的示意性表示的连接CONN；如图6所示，信号处理和控制电路680可操作地连接到探针位置检测部分511’的各个线圈。在图6所示的实施方式中，信号处理和控制电路680包括数字控制器/处理器681，其可以控制其各种互连部件之间的各种定时和信号连接或交换操作，包括驱动信号生成器682、放大/切换部分683、采样和保持部分684、多路复用部分685和A/D转换器部分686。数字控制器/处理器681还可以执行各种数字信号处理操作以确定输出信号APSOut和RPSOut，如先前参考图2概述的，并在下面进一步描述。根据已知原理，信号处理和控制电路680的设计和操作通常可以被本领域的普通技术人员所认识和理解。例如，在一种实施方式中，可以类似于美国专利No.5,841,274中公开的相应元件来设计和操作信号处理和控制电路680的各个元件，所述美国专利No.5,841,274的全部内容通过引用并入本文。因此，这里仅简要描述所示的信号处理和控制电路680的操作。
在操作中，驱动信号生成器682操作为向场产生线圈配置560提供变化的线圈驱动信号Dsig(例如，脉冲)，场产生线圈配置560响应于线圈驱动信号在扰动器运动体积MV中大致沿轴向方向产生变化的磁通量。在所示的配置中，顶部场产生线圈561T和底部场产生线圈561B配置为提供彼此增强的变化的磁通量。放大/切换部分683配置为从接收器线圈部分570输入信号RSIG和ASIG，包括由位于顶部和底部线圈基板上的相应的旋转和轴向感测线圈提供的相应的信号分量(例如，前面概述的信号分量SIGTASCC，SIGBASCC，SIGTRSC1-SIGTRSC4和SIGBRSC1-SIGBRSC4)。在一些实施方式中，放大/切换部分683可以包括切换电路，其可以组合各种模拟信号以提供各种期望的合量信号或差分信号(例如，通过适当的串联或并联连接，等)，例如，如等式5-7中所示的关系中所规定的，等等。然而，在其他实施方式中，放大/切换部分683可以仅执行放大和信号调节操作(以及可能的信号反转操作)，而所有信号组合操作在其他电路部分中执行。
采样和保持部分684从放大/切换部分683输入各种模拟信号，并且根据已知原理执行采样和保持操作，例如，以同时对来自接收器线圈部分570的相应的感测线圈的所有相应的信号分量进行采样和保持。在一种实施方式中，多路复用部分685可以将各种信号顺序地和/或与关于各种期望的信号关系组合地(例如，如等式5-7中所示的关系所规定的，等等)连接到A/D转换器部分686。A/D转换器部分686将相应的数字信号值输出到数字控制器/处理器681。然后，数字控制器/处理器681可以根据各种期望的关系处理和/或组合数字信号值，(例如，如等式5-7中所示的关系所规定的，等等)，以确定并输出输出信号APSOut和RPSOut，它们指示扰动器元件551或探针506中的至少一个相对于扫描探头的框架或壳体的轴向位置和旋转位置。在一些实施方式中，数字控制器/处理器681可以配置为使得输出信号APSOut和RPSOut直接指示探针506或其接触部分548相对于扫描探头的框架的三维位置。在其他实施方式中，其可以配置为输出信号，所述信号间接地指示探针506或其接触部分548相对于扫描探头的框架的三维位置，并且主机系统(例如，CMM)输出这样的信号并执行额外的处理以进一步组合或细化这样的信号，并确定探针506或其接触部分548相对于扫描坐标和/或相对于用于CMM测量的整体坐标系的三维位置。
应当理解，对于根据本文公开和要求保护的各种原理的探针位置检测部分(例如，511’)的实施方式，由接收器线圈部分(例如，570)的各个接收器线圈提供的信号分量在以下方面是特别有利的：消除或允许校正某些信号误差和/或信号交叉耦合误差，同时使用相对快速和简单的信号处理以便提供稳健且高精度的三维位置指示。
关于使用相对快速和简单的信号处理以提供稳健且高精度的三维位置指示，一个考虑因素是位置或位移信号分量的线性度(或某些组合信号的线性度，例如等式5所表示的Z信号关系)。应当理解，根据显著的三阶和/或五阶信号变化贡献而随位移而变化的信号或信号关系通常需要更复杂的信号处理和/或补偿和/或校准，以便提供精确的位移或位置指示。发明人已经发现，某些期望的配置可能趋于抑制轴向感测线圈信号分量ASig，和/或其组合中的更高阶信号变化贡献。作为描述这些理想配置的一种方式，顶部和底部轴向感测线圈配置TASCC和BASCC的感测线圈可以被视为定位为“轴向感测线圈区域内切圆柱”，其被限定为与中心轴线CA同心且其具有一半径，所述半径满足使得顶部和底部轴向感测线圈(例如，图5所示的顶部和底部轴向感测线圈配置TASCC和BASCC的感测线圈)装配在其中的最低要求。“扰动器内切圆柱”限定为与中心轴线CA同心且具有一半径，所述半径为可以内切在扰动器元件(例如，扰动器元件551等)的边缘内的最大半径。在各种实施方式中，可能希望(但不是必须)的是，扰动器内切圆柱的半径可以至少是轴向感测线圈区域内切圆柱的半径的1.1倍。在一些实施方式中，可能希望(但不是必须)的是，扰动器内切圆柱的半径可以至少是轴向感测线圈区域内切圆柱的半径的1.2倍或1.5倍。
图7A-7E示出了根据本文公开的原理的“平面图”图示(沿着轴向或Z方向看)，其表示探针位置检测部分部件的“4互补对”实施方式，分别包括接收器线圈部分770A-770E和扰动器元件751A-751E。根据本文公开的原理，所示的部件可用于探针位置检测部分的各种实施方式中。场产生线圈未在图7A-7E中示出，但应理解为根据先前公开的原理来提供。图7A-7E中所示的各种部件与先前描述的探针位置检测部分311、411、511和/或511'中的相似编号的部件类似或相似，并且通常可以通过与之类似的方式来理解。因此，下面仅描述图7A-7E中包括的“4互补对”实施方式的某些独特或重要特征。
图7A示出了接收器线圈部分770A和扰动器元件751A的实施方式，其类似于先前参考探针位置检测部分511’所描述的那些，并且将通过类似的方式被理解。除了示出了类似于先前参考探针位置检测部分511’所描述的那些的圆形顶部和底部轴向感测线圈配置TASCC和BASCC之外，图7A还示出了替代的正方形顶部和底部轴向感测线圈配置TASCC’和BASCC’，其以虚线示出。更一般地，应当理解，任何期望的形状都可以用于顶部和底部轴向感测线圈配置，只要它们配置为根据本文公开的和/或要求保护的各种原理提供期望的操作即可。
可以注意到，为了紧凑，扰动器元件751A的形状包括“修整的角部”。应当理解，为了满足本文先前公开的原理，其中与扰动器位移增量相关联的重叠区域TRSCOAi和BRSCOAi的变化的幅度名义上在任何所示的互补对中相同，沿着正交X和Y方向的操作运动范围+/-Rx和+/-Ry可以规定或指定为不延伸超过与每个互补对横切的直边部分，以便满足该原理。
图7B示出了接收器线圈部分770B和扰动器元件751B的实施方式，其类似于先前参考图7A所述的那些，不同之处在于：接收器线圈部分770B中的互补对CP1-CP4包括更大的旋转感测线圈，其与顶部和底部轴向感测线圈配置TASCC和BASCC的感测线圈重叠，根据本文所公开的各种原理，这不被禁止。为了制造这种配置，旋转和轴向感测线圈可以例如制造在多层印刷电路板的相应的层上。
图7C示出了接收器线圈部分770C和扰动器元件751C的实施方式，类似于先前参考图7B所述的那些，不同之处在于：顶部和底部轴向感测线圈配置TASCC和BASCC不由与各个旋转感测线圈TRSCi和BRSCi分开的轴向感测线圈提供。替代地，应当理解，顶部轴向感测线圈配置TASCC包括N个(N＝4)顶部旋转感测线圈TRSC1-TRSC4的组合，其中顶部轴向感测重叠区域TASOA包括与N个顶部旋转感测线圈相关联的单独的重叠区域TRSCOAi的总和。可以观察到，由于N个顶部旋转感测线圈TRSC1-TRSC4的类似形状，并且扰动器元件的两对平行侧边的重叠，由于扰动器元件751C的位移增量在重叠区域TRSCOA1中丢失的任何重叠区域在重叠区域TRSCOA2中获得，反正亦然。类似地，在重叠区域TRSCOA3中丢失的任何重叠区域从重叠区域TRSCOA4中获得，反之亦然。因此，重叠区域TRSCOAi的总和不变，或与扰动器元件751C在操作运动范围+/-Rz，+/-Rx和+/-Ry内的位置无关，即使组成其的单独的重叠区域TRSCOAi根据扰动器元件751C的位置而变化。类似地，底部轴向感测线圈配置BASCC包括N个(N＝4)底部旋转感测线圈BRSC1-BRSC4的组合，其中底部轴向感测重叠区域BASOA包括与N个底部旋转感测线圈相关联的单独的重叠区域BRSCOAi的组合。重叠区域BRSCOAi的该总和不变，或与扰动器元件751C在操作运动范围+/-Rz，+/-Rx和+/-Ry内的位置无关，即使组成其的单独的重叠区域BRSCOAi根据扰动器元件751C的位置而变化。因此，尽管其与先前描述的配置不同，但图7C中所示的实施方式提供了根据本文公开的一般原理的配置，其中接收器线圈部分770C和扰动器元件751C配置为提供顶部轴向感测重叠区域TASOA和底部轴向感测重叠区域BASOA，其中重叠区域TASOA和BASOA中的每一个的量是不变的，或独立于扰动器元件在操作运动范围+/-Rz，+/-Rx，和+/-Ry内的位置。
图7D示出了接收器线圈部分770D和扰动器元件751D的实施方式，其工作方式类似于先前参考图7C所描述的，其中轴向感测线圈配置TASCC和BASCC不由与各个旋转感测线圈TRSCi和BRSCi分开的轴向感测线圈提供。替代地，应当理解，顶部和底部轴向感测线圈配置TASCC和BASCC包括N个(N＝4)顶部和底部旋转感测线圈TRSC1-TRSC4和BRSC1-BRSC4的相应的组合，其中顶部轴向感测重叠区域TASOA包括与N个顶部旋转感测线圈相关联的单独的重叠区域TRSCOAi的总和，且底部轴向感测重叠区域BASOA包括与N个底部旋转感测线圈相关联的单独的重叠区域BRSCOAi的组合。类似于图7C所示的配置，重叠区域TRSCOAi的总和是不变的或独立于扰动器元件751D在操作运动范围+/-Rz，+/-Rx，和+/-Ry内的位置，即使组成其的单独的重叠区域TRSCOAi根据扰动器元件751D的位置而变化，且重叠区域BRSCOAi的总和也是不变的或独立于扰动器元件751D在操作运动范围+/-Rz，+/-Rx，和+/-Ry内的位置，即使组成其的单独的重叠区域BRSCOAi根据扰动器元件751D的位置而变化。因此，尽管其与先前描述的配置不同，图7D中所示的实施方式提供了根据本文公开的一般原理的配置，其中接收器线圈部分770D和扰动器元件751D配置为提供顶部轴向感测重叠区域TASOA和底部轴向感测重叠区域BASOA，其中重叠区域TASOA和BASOA中的每一个的量是不变的或独立于扰动器元件在操作运动范围+/-Rz，+/-Rx，和+/-Ry内的位置。由于扰动器元件751D的所示形状，应当理解，为了满足本文先前公开的原理，其中与扰动器位移增量相关联的重叠区域TRSCOAi和BRSCOAi的变化的幅度名义上在任何所示的互补对中是相同的，沿着正交X和Y方向的操作运动范围+/-Rx和+/-Ry可以规定或指定为使得扰动器元件751D的角部都不从其所示的位置移动到使其跨越任何互补对CP1-CP4的感测线圈的的边界的程度。
图7E示出了类似于先前参考图7A(或探针位置检测部分511’)所述的接收器线圈部分770E和扰动器元件751E的实施方式，不同之处在于：每个互补对的顶部和底部旋转感测线圈相对于彼此围绕中心轴线旋转角度2*NAA，其中NAA是“失准角度”。然而，随着失准角度NAA增加，该实施方式相较于先前概述的配置(其中每个互补对CPi的顶部和底部旋转感测线圈沿着轴向方向对准)变得越来越不利。其变得越来越不利的原因在于，扰动器元件751E与每个互补对CPi的顶部和底部旋转感测线圈之间的操作间隙(例如，操作间隙OG，在图3中示出)的总和对于扰动器元件751E的所有位移不一定是恒定的，因为其与扰动器元件751E的重叠区域不是“共置(co-located)”的。因此，其信号的总和可能不是理想地独立于轴向位移ΔZ，如先前参考等式6概述的。然而，根据本文所公开的各种原理，图7E中所示且上面概述的配置也不被禁止。应当理解，这样的配置可以仍然满足本文公开和要求保护的最基本的原理，并且与先前已知的感应式传感器配置相比，提供至少部分地保留上面概述的各种优点的信号分量。作为描述图7E中所示的配置的一种方式，接收器线圈部分770E配置为，其中每个互补对CPi包括顶部旋转感测线圈TRSCi和底部旋转感测线圈BRSCi，其特征在于，如果它们中的一个的形状围绕中心轴线旋转以与另一个的围绕中心轴线的角度位置(例如，角度2*NAA)重合，然后沿着轴向方向投影，则其内部区域的形状将在名义上重合。在各种实施方式中，接收器线圈部分770E和扰动器元件751E可以配置为，其中扰动器元件751E包括至少N个直侧(例如，N＝4)，且对于任何相应的互补对CPi(例如，CP1-CP4)，扰动器元件751E的直侧中的相应的一个横切该相应的互补对CPi的顶部旋转感测线圈TRSCi和底部旋转感测线圈BRSCi。在N＝4的这样的实施方式中，扰动器元件751E的至少N个直侧包括4个侧边，其布置为平行于矩形或正方形的侧边。
图8A-8F示出了根据本文公开的原理的“平面图”图示(沿着轴向或Z方向看)，其表示探针位置检测部分部件的“3(或6)互补对”实施方式，分别包括接收器线圈部分870A-870F和扰动器元件851A-851F。根据本文公开的原理，所示的部件可用于探针位置检测部分的各种实施方式中。场产生线圈未在图8A-8F中示出，但应理解为根据先前公开的原理来提供。在图8A-8F中的若干个中示出的“3(或6)互补对”配置中所示的各种元件类似于或相似于先前参考图7A-7E所述的对应的“4互补对”配置中所示的对应的元件，且它们可以大致类似地理解。因此，下面仅描述图8A-8F中包括的“3互补对”实施方式的某些独特或重要特征。
图8A-8C是“3互补对”，其类似于对应的图7A-7C中所示的其对应“4互补对”配置。基于以下附加描述，通常可以通过对它们的对应配置的描述(例如，图8A与其对应的图7A，等等)的类比来理解它们。
与先前描述的彼此以90度定向的4互补对(例如，如图7A所示)相比，通过以下考虑，可以理解使用彼此以120度定向的3互补对，扰动器元件(例如，851A)的任何位移增量或位置容易地通过如图8A-8F中所示的沿着相应的矢量分量方向VC1、VC2和VC3定向的位移或位置矢量分离或坐标来表征，如同其通过本文中在各个附图中所示的沿着X和Y轴方向定向的位移或位置矢量分量或坐标来表征。将矢量分量从一个坐标系转换为另一个坐标系的方法是众所周知的，因此在此无需详细讨论。基于此，可以理解，图8A-8C中所示的互补对CPi根据互补对的先前描述中概述的相同原理来配置，且其相应的重叠区域指示扰动器元件沿其对应的矢量分量方向VC1、VC2和VC3的位移或位置。例如，图8A中所示的代表性重叠区域TRSCOA1和BRSCOA1根据先前概述的原理产生相关联的信号分量SIGTRSC1和SIGBRSC1，它们指示扰动器元件沿对应的矢量分量方向VC1的位移或位置，等等。对于图8A-8C和图8E所示的实施方式，在一个实施方式中，沿VC1方向的旋转位移或位置分量ΔVC1可以由以下信号关系指示或与其对应，根据先前概述的可比较互补对的原理，所述信号关系名义上独立于ΔZ：
ΔVC1＝[(SIGTRSC1+SIGBRSC1)-(SIGTRSC1UNDF+SIGBRSC1UNDF]的函数，(等式8)
其中SIGTRSC1UNDF和SIGBRSC1UNDF是由重叠区域TRSCOA1和BRSCOA1产生的参考信号值，其对应于扰动器元件(例如，851A等)的未偏转位置UNDF。
类似地，沿VC2方向的旋转位移或位置分量ΔVC2和沿VC3方向的ΔVC3可以由以下信号关系指示或与其对应：
ΔVC2＝[(SIGTRSC2+SIGBRSC2)-(SIGTRSC2UNDF+SIGBRSC2UNDF]的函数(等式9)
ΔVC3＝[(SIGTRSC3+SIGBRSC3)-(SIGTRSC3UNDF+SIGBRSC3UNDF]的函数(等式10)
应当理解，图8A-8C中所示的轴向感测线圈配置TASCC和BASCC基本上与本文先前参考其对应配置所述的相同，且可以根据相同类型的信号分量和信号关系来确定。上文概述的信号关系仅是示例性的，而不是限制性的。在各种实施方式中，如果需要，可以通过附加的校准或信号处理操作来调节或补偿该信号关系，包括减少各种位移方向或信号分量之间的几何和/或信号交叉耦合的影响的操作。
图8D示出了类似于先前参考图8A所述的接收器线圈部分870D和扰动器元件851D的实施方式，不同之处在于：提供了附加的互补对CP4-CP6，它们从互补对CP1-CP3跨越中心轴线对称地配置，以提供总共6个互补对。特别地，CP1和CP4沿着VC1方向彼此相对地定向，CP2和CP5沿着VC2方向彼此相对地定向，且CP3和CP6沿着VC3方向彼此相对地定向。这些相对的对类似于图7A-7D中所示的沿X和Y轴方向定向的相对的互补对。这样的配置不需要依赖等式8-10中使用的参考信号值(例如，SIGTRSC1UNDF，等等)。因此，这样的配置可以更稳健和准确(例如，固有地补偿由于各种原因引起的信号漂移，等等)。对于图8D所示的实施方式，在一个实施方式中，沿VC1方向的旋转位移或位置分量ΔVC1可以由以下信号关系指示或与其对应，根据先前概述的可比较互补对的原理，它名义上独立于ΔZ：
ΔX＝[(SIGTRSC1+SIGBRSC1)-(SIGTRSC4+SIGBRSC4)]÷
[(SIGTRSC1+SIGBRSC1)+(SIGTRSC4+SIGBRSC4)]的函数
(等式11)
ΔVC2＝[(SIGTRSC2+SIGBRSC2)-(SIGTRSC5+SIGBRSC5)]÷
[(SIGTRSC2+SIGBRSC2)+(SIGTRSC5+SIGBRSC5)]的函数
(等式12)
ΔVC3＝[(SIGTRSC3+SIGBRSC3)-(SIGTRSC6+SIGBRSC6)]÷
[(SIGTRSC3+SIGBRSC3)+(SIGTRSC6+SIGBRSC6)]的函数
(等式13)
应当理解，图8B和8C所示的“3互补对”实施方式可以类似地适配为包括6个互补对，并且使用具有类似益处的类似信号处理。
图8E示出了类似于先前参考图7E所描述的接收器线圈部分870E和扰动器元件851E的实施方式，并且结合图8A-8C的前述描述，通常可以通过类比该描述来理解。为了简要解释该描述，在图8E中，每个互补对CPi的顶部和底部旋转感测线圈相对于彼此围绕中心轴线旋转角度2*NAA，其中NAA是“失准角度”。随着失准角度NAA增加，相较于先前概述的配置(其中每个互补对CPi的顶部和底部旋转感测线圈沿着轴向方向对准)，该实施方式变得越来越不利，如先前参考图7E所述，其中其被解释为，来自互补对的信号的总和可能不理想地独立于轴向位移ΔZ，如先前参考等式6概述的。然而，根据本文公开的各种原理，图8E中所示的配置不被禁止。应当理解，这样的配置可以仍然满足本文公开和要求保护的最基本的原理，并且与先前已知的感应式传感器配置相比，提供至少部分地保留上面概述的各种优点的信号分量。
图8F示出了接收器线圈部分870F和扰动器元件851F的实施方式，其中感测线圈的互补对CPi具有与先前所述的互补对(例如，如图8A所示)不同的配置感测线圈，不同之处在于，它们相对于彼此跨越中心轴线对称地定位。因此，它们的特征可以类似于先前描述的互补对，在于其中对于至少一个互补对CPi和操作运动范围+/-Rz，+/-Rx，和+/-Ry内的任何扰动器元件位移增量，与扰动器位移增量相关联的重叠区域TRSCOAi和BRSCOAi的变化的幅度在该互补对中相同。另外，在图8F所示的实施方式中，接收器线圈部分类似于本文先前描述的一些互补对配置，其中每个互补对CPi包括顶部旋转感测线圈TRSCi和底部旋转感测线圈BRSCi，其特征在于，如果它们中的一个的形状围绕中心轴线旋转一偏移角度(例如，180度)以与另一个围绕中心轴线的角度位置重合，然后沿着轴向方向投影，则其内部区域的形状将在名义上重合。
然而，与先前描述的互补对相反，与扰动器位移增量相关联的重叠区域TRSCOAi和BRSCOAi的变化的符号与图8F中所示的互补对相反。这样的实施方式可能与其中和扰动器位移增量相关联的重叠区域TRSCOAi和BRSCOAi的变化的符号在每个互补对中相同的实施方式相比具有某些缺点。然而，根据本文公开的各种原理，图8F中所示的配置不被禁止。通过适当的信号处理，与已知的感应型感测配置相比，这样的实施方式仍可为在扫描探头中的使用提供某些优势。信号处理可能需要比本文先前描述的实施方式所需的更复杂(例如，使用更复杂的信号分量以指示各种位移或位置矢量分量)，以便校正或补偿各种交叉耦合效应等。然而，对于接收器线圈部分870F，这样的效应通常可以基于已知的几何和/或信号关系约束以及以下事实而被补偿：扰动器元件851F的给定位移的重叠区域的变化的幅度在每个互补对的传感器线圈中相同。例如，在图8F中所示的实施方式中，扰动器元件851F包括3对平行的直侧(例如，布置为平行于正六边形的侧边)，且对于任何相应的互补对CPi，一对平行直侧中的第一个横切顶部旋转感测线圈TRSCi，且该对平行直侧中的第二个横切该相应的互补对的底部旋转感测线圈BRSCi。基于扰动器元件851F的刚体平移和旋转特性，每个感测线圈的相应的重叠区域和局部操作间隙都包含在接收器线圈部分870F中，以相互之间已知的关系进行约束，这些已知的关系可以用于确定由接收器线圈部分870F提供的信号分量的信号处理中的精确位移矢量。
应当理解，图7A-7E和图8A-8F所示的变化指示根据本文公开和要求保护的各种原理来进一步重新布置和/或调整探针位置检测部分中的各种元件的配置和组合的可能性，同时保留了与这些原则相关的先前概述的许多或全部优点。通常，将理解，本文公开的各种实施方式仅是示例性的而不是限制性的。
尽管已经说明和描述了本公开的优选实施方式，但是基于本公开内容，对于本领域技术人员而言，所示出和描述的特征布置和操作序列中的许多变化将是显而易见的。可以使用各种替代形式来实现本文公开的原理。此外，上述各种实施方式可以结合起来提供进一步的实施方式。本说明书中提到的所有美国专利和美国专利申请的全部内容通过引用并入本文。如果必要的话，可以修改实施方式的各个方面以利用各专利和申请的概念来提供进一步的实施方式。
根据以上详细描述，可以对实施方式进行这些和其他改变。一般而言，在随附的权利要求中，所使用的术语不应被解释为将权利要求限制在说明书和权利要求书中公开的具体实施方式中，而应被解释为包括所有可能的实施方式连同这些权利要求所声称的等同物。

Claims (15)

1.一种用于坐标测量机的扫描探头，所述扫描探头包括：
探针悬置部分，其联接到所述扫描探头的框架，包括：
探针联接部分，其配置为刚性地联接到探针；以及
探针运动机构，其配置为实现所述探针联接部分沿轴向方向的轴向运动，以及所述探针联接部分围绕旋转中心的旋转运动；以及
探针位置检测部分，其沿着中心轴线布置，所述中心轴线平行于所述轴向方向且与所述旋转中心对齐，所述探针位置检测部分包括：
接收器线圈部分，包括平坦的顶部线圈基板以及平坦的底部线圈基板，所述顶部线圈基板包括顶部轴向感测线圈配置和N个顶部旋转感测线圈，所述底部线圈基板包括底部轴向感测线圈配置和N个底部旋转感测线圈，其中N是至少为3的整数，且顶部线圈基板和底部线圈基板以固定的关系安装到所述扫描探头的框架，所述底部线圈基板更靠近所述探针悬置部分，且顶部线圈基板和底部线圈基板彼此平行且正交于所述中心轴线，且沿着所述中心轴线间隔开并且扰动器运动体积位于其之间；
扰动器配置，包括扰动器元件，所述扰动器元件包括提供扰动器区域的导电板或导电回路，其中所述扰动器元件沿着所述中心轴线位于顶部线圈基板和底部线圈基板之间的扰动器运动体积中，且通过联接配置联接到所述探针悬置部分，其中所述扰动器元件响应于所述探针悬置部分的偏转而相对于未偏转位置在所述扰动器运动体积中移动，所述扰动器元件响应于轴向运动而沿着轴向方向在操作运动范围内移动，且响应于旋转运动而沿着正交于所述轴向方向的正交X和Y方向在相应的操作运动范围内移动；
场产生线圈配置，至少包括第一场产生线圈，所述第一场产生线圈位于所述扰动器运动体积附近且其是平坦的且正交于所述中心轴线，其中所述第一场产生线圈的线圈区域沿着所述轴向方向的投影包含提供所述扰动器区域的导电板或回路以及位于顶部线圈基板和底部线圈基板上的所有的旋转和轴向感测线圈的线圈区域，所述场产生线圈配置响应于线圈驱动信号而在所述扰动器运动体积中大致沿着轴向方向产生变化的磁通量；以及
信号处理和控制电路，其可操作地连接到所述探针位置检测部分的线圈以提供所述线圈驱动信号，且配置为从所述接收器线圈部分输入信号，所述信号包括由位于顶部线圈基板和底部线圈基板上的相应的旋转和轴向感测线圈提供的相应的信号分量，并且所述信号处理和控制电路配置为输出信号，所述信号指示所述扰动器元件或所述探针中的至少一个相对于所述扫描探头的框架的轴向位置和旋转位置，
其中：
所述扰动器元件沿着所述轴向方向穿过所述顶部轴向感测线圈配置的内部线圈区域的投影限定顶部轴向感测重叠区域TASOA，所述扰动器元件沿着所述轴向方向穿过所述底部轴向感测线圈配置的内部线圈区域的投影限定底部轴向感测重叠区域BASOA，所述扰动器元件沿着所述轴向方向穿过任何相应的顶部旋转感测线圈TRSCi的内部线圈区域的投影限定相应的顶部旋转线圈感测重叠区域TRSCOAi，并且所述扰动器元件沿着所述轴向方向穿过任何相应的底部旋转感测线圈BRSCi的内部线圈区域的投影限定相应的底部旋转线圈感测重叠区域BRSCOAi，其中i是单独线圈识别指数，范围为1至N；
所述接收器线圈部分和所述扰动器元件配置为提供所述顶部轴向感测重叠区域TASOA和所述底部轴向感测重叠区域BASOA，其中，重叠区域TASOA和BASOA中的每一个的量是不变的或独立于所述扰动器元件在所述操作运动范围内的位置，并且
所述接收器线圈部分和所述扰动器元件配置为提供旋转感测线圈的N个互补对CPi，每个互补对包括顶部旋转感测线圈TRSCi和底部旋转感测线圈BRSCi，其中对于任何互补对CPi，对于操作运动范围内的任何扰动器元件位移增量，与所述扰动器元件位移增量相关联的重叠区域TRSCOAi和BRSCOAi的变化的幅度在该互补对中是相同的。
2.如权利要求1所述的扫描探头，其中所述接收器线圈部分和所述扰动器元件还配置为，其中对于任何互补对CPi和操作运动范围内的任何扰动器元件位移增量，与所述扰动器元件位移增量相关联的重叠区域TRSCOAi和BRSCOAi的变化的幅度和符号在该互补对中是相同的。
3.如权利要求2所述的扫描探头，其中所述接收器线圈部分还配置为，其中每个互补对CPi包括顶部旋转感测线圈TRSCi和底部旋转感测线圈BRSCi，其特征在于以下中的至少一个：
当沿着所述轴向方向投影时，它们内部区域的形状重合；或
如果它们中的一个的形状围绕所述中心轴线旋转以与另一个围绕所述中心轴线的角度位置重合，然后沿着所述轴向方向投影，则它们的内部区域的形状将在重合。
4.如权利要求2所述的扫描探头，其中所述接收器线圈部分和所述扰动器元件还配置为，其中所述扰动器元件包括至少N个直侧，且对于任何相应的互补对CPi，所述扰动器元件的直侧中的相应的一个直侧横切该相应的互补对的顶部旋转感测线圈TRSCi和底部旋转感测线圈BRSCi二者。
5.如权利要求4所述的扫描探头，其中以下中的至少一个：
N＝3且所述至少N个直侧包括3个侧边，所述3个侧边布置为平行于等边三角形的侧边，或
N＝4且所述至少N个直侧包括4个侧边，所述4个侧边布置为平行于矩形或正方形的侧边。
6.如权利要求1所述的扫描探头，其中：
所述顶部轴向感测线圈配置包括所述N个顶部旋转感测线圈的组合，且所述顶部轴向感测重叠区域TASOA包括与所述N个顶部旋转感测线圈相关联的单独的重叠区域TRSCOAi的总和，其中所述总和是不变的或独立于所述扰动器元件在操作运动范围内的位置，即使组成其的单独的重叠区域TRSCOAi根据所述扰动器元件的位置而变化；并且
所述底部轴向感测线圈配置包括所述N个底部旋转感测线圈的组合，且所述底部轴向感测重叠区域BASOA包括与所述N个底部旋转感测线圈相关联的单独的重叠区域BRSCOAi的总和，其中所述总和是不变的或独立于所述扰动器元件在操作运动范围内的位置，即使组成其的单独的重叠区域BRSCOAi根据所述扰动器元件的位置而变化。
7.如权利要求1所述的扫描探头，其中：
所述顶部轴向感测线圈配置包括至少一个顶部轴向感测线圈，所述至少一个顶部轴向感测线圈不是所述N个顶部旋转感测线圈中的一个且被布置为比所述顶部旋转感测线圈更靠近所述中心轴线，且所述至少一个顶部轴向感测线圈和所述扰动器元件的特征在于，所述至少一个顶部轴向感测线圈具有小于所述扰动器元件的内部线圈区域，且对于所述动器元件在操作运动范围内的任何位置，所述扰动器元件沿着所述轴向方向的投影完全填充所述至少一个顶部轴向感测线圈的内部线圈区域，由此所述顶部轴向感测重叠区域TASOA不由于所述扰动器元件的位置而变化；并且
所述底部轴向感测线圈配置包括至少一个底部轴向感测线圈，所述至少一个底部轴向感测线圈不是所述N个底部旋转感测线圈中的一个且被布置为比所述底部旋转感测线圈更靠近所述中心轴线，且所述至少一个底部轴向感测线圈和所述扰动器元件的特征在于，所述至少一个底部轴向感测线圈具有小于所述扰动器元件的内部线圈区域，且对于所述动器元件在所述操作运动范围内的任何位置，所述扰动器元件沿着所述轴向方向的投影完全填充所述至少一个底部轴向感测线圈的内部线圈区域，由此所述底部轴向感测重叠区域BASOA不由于所述扰动器元件的位置而变化。
8.如权利要求7所述的扫描探头，其中：
所述至少一个顶部轴向感测线圈包括至少部分地围绕所述中心轴线的单个顶部轴向感测线圈；
所述至少一个底部轴向感测线圈包括至少部分地围绕所述中心轴线的单个底部轴向感测线圈；并且
轴向感测线圈内切圆柱被限定为与所述中心轴线同心且具有一半径，该半径为能够内切在顶部轴向感测线圈和底部轴向感测线圈的边缘内的最大半径，以及
扰动器内切圆柱被限定为与所述中心轴线同心且具有一半径，该半径为能够内切在所述扰动器元件的边缘内的最大半径，并且
所述扰动器内切圆柱的半径至少是所述轴向感测线圈内切圆柱的半径的1.1倍。
9.如权利要求8所述的扫描探头，其中：
所述扰动器内切圆柱的半径至少是所述轴向感测线圈内切圆柱的半径的1.2倍；并且
所述扰动器内切圆柱的半径至多是所述轴向感测线圈区域内切圆柱的半径的1.5倍。
10.如权利要求1所述的扫描探头，其中所述接收器线圈部分和所述扰动器元件进一步配置为，其中对于至少一个互补对CPi和所述操作运动范围内的任何扰动器元件位移增量，与所述扰动器元件位移增量相关联的重叠区域TRSCOAi和BRSCOAi的变化的符号在该互补对中相反。
11.如权利要求10所述的扫描探头，其中所述接收器线圈部分还配置为，其中每个互补对CPi包括顶部旋转感测线圈TRSCi和底部旋转感测线圈BRSCi，其特征在于，如果它们中的一个的形状围绕所述中心轴线旋转一偏移角度以与另一个围绕所述中心轴线的角度位置重合，然后沿着所述轴向方向投影，则它们内部区域的形状将在重合。
12.如权利要求11所述的扫描探头，其中所述扰动器元件包括N对平行的直侧，且对于任何相应的互补对CPi，一对平行的直侧中的第一个横切所述顶部旋转感测线圈TRSCi，且该对平行的直侧中的第二个横切该相应的互补对的底部旋转感测线圈BRSCi。
13.如权利要求12所述的扫描探头，其中N＝3，且所述N对平行的直侧布置为平行于正六边形的侧边。
14.如权利要求1所述的扫描探头，还包括移动构件，其联接到所述扰动器元件和所述探针联接部分，所述移动构件大致沿着所述中心轴线延伸且穿过沿着所述中心轴线位于所述底部线圈基板中的孔。
15.如权利要求1所述的扫描探头，其中所述场产生线圈配置包括以下之一a)单个平坦的场产生线圈，其近似位于所述扰动器运动体积的中平面处且其为平坦的且正交于所述中心轴线，或b)一对平坦的场产生线圈，其沿着所述中心轴线距所述扰动器运动体积的中平面近似等距地定位，且其为平坦的且正交于所述中心轴线。
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