(57)【要約】【課題】１つの測定装置で被測定物の全体形状から表面粗さまでを測定することが可能となるような表面形状測定装置及び表面形状測定方法を提供する。【解決手段】非接触センサ１２２と、非接触センサ１２２を測定軸線Ｍの方向で移動させる第１駆動部１２４と、第１駆動部を同方向で移動させる第２駆動部１２４とを有する表面形状センサユニット１２０を備える表面形状測定装置１００である。第１駆動部１２４は非接触センサ１２２の検出限界よりも広い第１可動範囲を有するピエゾアクチュエータを有し、第２駆動部１２６は第１可動範囲よりも広い第２可動範囲を有する直動テーブルを有する。２つのアクチュエータにより非接触センサ１２２の測定点Ｄが検出限界内に位置するように非接触センサを測定軸線Ｍの方向で移動させながら、被測定物Ｗ１の表面形状測定を行う。【選択図】図１
2016200399.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
装置基部と、
該装置基部に設定され、被測定物を支持するステージと、
該装置基部に設定され、該ステージによって支持されている被測定物の表面形状を測定するための表面形状センサユニットと、
該ステージを該表面形状センサユニットに対して相対的に移動させる移動機構と、
を備える表面形状測定装置であって、
該表面形状センサユニットが、
所定の測定軸線の方向での所定幅をもった検出限界を有し、該測定軸線と交わる物体表面上の点を測定点として、該測定軸線の方向での該検出限界内における該測定点の位置を測定する第１センサと、
該第１センサを保持する第１アクチュエータであって、該検出限界の幅よりも広い該測定軸線の方向での所定幅をもった第１可動範囲を有し、該測定点が該検出限界内に位置するように該第１センサを該第１可動範囲内で該測定軸線の方向で移動させる第１アクチュエータと、
該第１アクチュエータによる該第１センサの移動距離を測定する第２センサと、
該第１アクチュエータを保持する第２アクチュエータであって、該第１可動範囲の幅よりも広い該測定軸線の方向での所定幅をもった第２可動範囲を有し、該第１アクチュエータが該第１センサを該第１可動範囲内で移動させて該測定点を該検出限界内に位置させることができるように、該第１アクチュエータを該第２可動範囲内で該測定軸線の方向で移動させる第２アクチュエータと、
該第２アクチュエータによる該第１アクチュエータの移動距離を測定する第３センサと、を備え、
該移動機構によって該第１センサの該測定点が被測定物の表面上を相対的に移動していくように該ステージと該第１センサとを相対的に移動させたときの、該第１、第２、及び第３センサの出力値に基づいて被測定物の表面形状を測定するようにされた、表面形状測定装置。
【請求項２】
該第１アクチュエータが、該検出限界内に位置する測定基準点を有し、該表面形状センサユニットによる被測定物の表面形状測定の最中に、該測定点が該測定基準点に近づくように該第１センサを連続的に移動させるようにされた、請求項１に記載の表面形状測定装置。
【請求項３】
該第２アクチュエータが、該表面形状センサユニットによる被測定物の表面形状測定の最中には該第１アクチュエータを移動させないようにされた、請求項１又は２に記載の表面形状測定装置。
【請求項４】
該検出限界の幅が１マイクロメートル以上０．１ミリメートル未満であり、該第１可動範囲の幅が０．１ミリメートル以上２ミリメートル未満であり、該第２可動範囲の幅が１０ミリメートル以上である、請求項１乃至３の何れか一項に記載の表面形状測定装置。
【請求項５】
該第１アクチュエータがピエゾアクチュエータであり、該第２アクチュエータがモータ駆動の直動テーブルであり、該第２センサがひずみゲージであり、該第３センサがリニアスケールである、請求項４に記載の表面形状測定装置。
【請求項６】
該第１センサが、光式の非接触センサである、請求項１乃至５の何れか一項に記載の表面形状測定装置。
【請求項７】
該移動手段が、該ステージを該測定軸線に対して垂直な平面内で移動させる水平面移動機構を有する、請求項１乃至６の何れか一項に記載の表面形状測定装置。
【請求項８】
該移動手段が、該ステージを該測定軸線に対して垂直な回転軸線周りで回転させる回転機構と、該表面形状センサユニットを該回転軸線と平行な方向に移動させる垂直移動機構と、を有する、請求項１乃至６の何れか一項に記載の表面形状測定装置。
【請求項９】
所定の測定軸線の方向での所定幅をもった検出限界を有し、該測定軸線と交わる物体表面上の点である測定点の該測定軸線の方向での位置を測定する第１センサと、該第１センサを保持して該第１センサを該測定軸線の方向で移動させる第１アクチュエータと、該第１アクチュエータによる該第１センサの移動距離を測定する第２センサと、該第１アクチュエータを保持して該第１アクチュエータを該測定軸線の方向で移動させる第２アクチュエータと、該第２アクチュエータによる該第１アクチュエータの移動距離を測定する第３センサと、を備える表面形状センサユニットによって、ステージ上に支持された被測定物の表面形状を測定する表面形状測定方法であって、
該被測定物の表面上の任意の測定開始点に該第１センサの該測定点が位置するように、該ステージと該表面形状センサユニットとを移動機構によって相対的に移動させるステップと、
該測定点が該検出限界内に位置するように、該第２アクチュエータによって該第１アクチュエータ及び該第１センサを該測定軸線の方向で移動させるステップと、
該測定点が該被測定物の表面上を相対的に移動していくように該移動機構によって該ステージと該表面形状センサユニットとを相対的に移動させるステップと、
該ステージと該表面形状センサユニットとを相対的に移動させるステップの最中に、該測定点が該検出限界内に維持されるように該第１アクチュエータによって該第１センサを該測定軸線の方向で移動させるステップと、
該ステージと該表面形状センサユニットとを相対的に移動させるステップの最中に、該第１乃至第３センサの出力値を読み取るステップと、
該測定点を該検出限界内に維持するために必要とされる該第１センサの移動距離が該第１アクチュエータの可動範囲を超えることになる表面を測定するときに、該移動機構による該ステージと該表面形状センサユニットとの相対的な移動を一旦停止して、該測定点が該検出限界内に位置するように該第２アクチュエータによって該第１アクチュエータ及び該第１センサを該測定軸線の方向で移動させるステップと、
を含む、表面形状測定方法。
【請求項１０】
該第１アクチュエータが、該検出限界内に位置する測定基準点を有し、
該第１センサを該測定軸線の方向で移動させるステップが、該測定点が該測定基準点に近づくように該第１アクチュエータによって該第１センサを該測定軸線の方向で連続的に移動させるステップである、請求項９に記載の表面形状測定方法。
【請求項１１】
該移動手段が、該ステージを該測定軸線に対して垂直な回転軸線周りで回転させる回転機構と、該表面形状センサユニットを該回転軸線と平行な方向に移動させる垂直移動機構と、を有し、該被測定物が円筒状表面を有する部材であり、
該ステージと該表面形状センサユニットとを相対的に移動させるステップが、該測定点が該被測定物の該円筒状表面上を移動していくように該回転機構によって該ステージを回転させるステップであり、
該第１乃至第３センサの出力値に基づいて、該被測定物の直径と真円度とのうちの少なくとも一方を求めるようにされた、請求項９又は１０に記載の表面形状測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面形状測定装置及び表面形状測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
表面形状測定装置として、触針を利用した接触式のものや（特許文献１）、レーザー光を利用した非接触式のもの（特許文献２）などが知られている。これら表面形状測定装置において、一般に、ミリメートルオーダーの凹凸形状を測定するための装置は広い測定範囲を有する一方で表面粗さの測定に要求されるようなナノメートルオーダーの分解能は有しておらず、表面粗さを測定するための装置はナノメートルオーダーの高い測定分解能を有する一方でミリメートルオーダーの広い測定範囲は有していない。そのため、例えばミリメートルオーダーの段差を有する部材の全体形状とその表面粗さとを両方測定する場合には、複数の別の測定装置を使って、全体形状と、微細な表面粗さとを別々に測定する必要があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−９７６９１号公報
【特許文献２】特開２０１２−２５７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、複数の別の測定装置で測定をする手法では、測定対象物を装置に何度もセッティングしなければならず、また別々に測定したデータを整合させる必要もあり、測定に多くの時間と手間がかかっていた。
【０００５】
本発明は上記問題に鑑み、１つの測定装置で被測定物の全体形状から表面粗さまでを測定することが可能となるような表面形状測定装置及び表面形状測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
すなわち本発明は、
装置基部と、
該装置基部に設定され、被測定物を支持するステージと、
該装置基部に設定され、該ステージによって支持されている被測定物の表面形状を測定するための表面形状センサユニットと、
該ステージを該表面形状センサユニットに対して相対的に移動させる移動機構と、
を備える表面形状測定装置であって、
該表面形状センサユニットが、
所定の測定軸線の方向での所定幅をもった検出限界を有し、該測定軸線と交わる物体表面上の点を測定点として、該測定軸線の方向での該検出限界内における該測定点の位置を測定する第１センサと、
該第１センサを保持する第１アクチュエータであって、該検出限界の幅よりも広い該測定軸線の方向での所定幅をもった第１可動範囲を有し、該測定点が該検出限界内に位置するように該第１センサを該第１可動範囲内で該測定軸線の方向で移動させる第１アクチュエータと、
該第１アクチュエータによる該第１センサの移動距離を測定する第２センサと、
該第１アクチュエータを保持する第２アクチュエータであって、該第１可動範囲の幅よりも広い該測定軸線の方向での所定幅をもった第２可動範囲を有し、該第１アクチュエータが該第１センサを該第１可動範囲内で移動させて該測定点を該検出限界内に位置させることができるように、該第１アクチュエータを該第２可動範囲内で該測定軸線の方向で移動させる第２アクチュエータと、
該第２アクチュエータによる該第１アクチュエータの移動距離を測定する第３センサと、を備え、
該移動機構によって該第１センサの該測定点が被測定物の表面上を相対的に移動していくように該ステージと該第１センサとを相対的に移動させたときの、該第１、第２、及び第３センサの出力値に基づいて被測定物の表面形状を測定するようにされた、表面形状測定装置を提供する。
【０００７】
当該表面形状測定装置においては、被測定物の表面を直接的に測定する第１センサを、第１可動範囲を有する第１アクチュエータと第１可動範囲よりも広い第２可動範囲を有する第２アクチュエータとによって測定軸線の方向で変位させることにより、第１センサで測定可能な測定軸線の方向での範囲を大幅に拡大することができるようになっている。これにより、第１センサの測定分解能で、第１及び第２可動範囲の広い範囲内において表面形状を測定することが可能となるため、従来複数の別の測定装置により測定する必要があった大きな段差等がある被測定物に対しても、一つの測定装置でその表面形状を測定することが可能となる。
【０００８】
好ましくは、該第１アクチュエータが、該検出限界内に位置する測定基準点を有し、該表面形状センサユニットによる被測定物の表面形状測定の最中に、該測定点が該測定基準点に近づくように該第１センサを連続的に移動させるようにすることができる。
【０００９】
このような構成により、例えば測定基準点を検出限界の中心付近に設定しておくことによって、測定点が検出限界から外れてしまう可能性を低減させることが可能となる。
【００１０】
好ましくは、該第２アクチュエータが、該表面形状センサユニットによる被測定物の表面形状測定の最中には該第１アクチュエータを移動させないようにすることができる。
【００１１】
具体的には、該検出限界の幅が１マイクロメートル以上０．１ミリメートル未満であり、該第１可動範囲の幅が０．１ミリメートル以上２ミリメートル未満であり、該第２可動範囲の幅が１０ミリメートル以上であるようにすることができる。
【００１２】
また具体的には、該第１アクチュエータがピエゾアクチュエータであり、該第２アクチュエータがモータ駆動の直動テーブルであり、該第２センサがひずみゲージであり、該第３センサがリニアスケールであるようにすることができる。
【００１３】
さらに具体的には、該第１センサが、光式の非接触センサであるようにすることができる。
【００１４】
好ましくは、該移動手段が、該ステージを該測定軸線に対して垂直な平面内で移動させる水平面移動機構を有するようにすることができる。
【００１５】
または、該移動手段が、該ステージを該測定軸線に対して垂直な回転軸線周りで回転させる回転機構と、該表面形状センサユニットを該回転軸線と平行な方向に移動させる垂直移動機構と、を有するようにすることができる。
【００１６】
また本発明は、
所定の測定軸線の方向での所定幅をもった検出限界を有し、該測定軸線と交わる物体表面上の点である測定点の該測定軸線の方向での位置を測定する第１センサと、該第１センサを保持して該第１センサを該測定軸線の方向で移動させる第１アクチュエータと、該第１アクチュエータによる該第１センサの移動距離を測定する第２センサと、該第１アクチュエータを保持して該第１アクチュエータを該測定軸線の方向で移動させる第２アクチュエータと、該第２アクチュエータによる該第１アクチュエータの移動距離を測定する第３センサと、を備える表面形状センサユニットによって、ステージ上に支持された被測定物の表面形状を測定する表面形状測定方法であって、
該被測定物の表面上の任意の測定開始点に該第１センサの該測定点が位置するように、該ステージと該表面形状センサユニットとを移動機構によって相対的に移動させるステップと、
該測定点が該検出限界内に位置するように、該第２アクチュエータによって該第１アクチュエータ及び該第１センサを該測定軸線の方向で移動させるステップと、
該測定点が該被測定物の表面上を相対的に移動していくように該移動機構によって該ステージと該表面形状センサユニットとを相対的に移動させるステップと、
該ステージと該表面形状センサユニットとを相対的に移動させるステップの最中に、該測定点が該検出限界内に維持されるように該第１アクチュエータによって該第１センサを該測定軸線の方向で移動させるステップと、
該ステージと該表面形状センサユニットとを相対的に移動させるステップの最中に、該第１乃至第３センサの出力値を読み取るステップと、
該測定点を該検出限界内に維持するために必要とされる該第１センサの移動距離が該第１アクチュエータの可動範囲を超えることになる表面を測定するときに、該移動機構による該ステージと該表面形状センサユニットとの相対的な移動を一旦停止して、該測定点が該検出限界内に位置するように該第２アクチュエータによって該第１アクチュエータ及び該第１センサを該測定軸線の方向で移動させるステップと、
を含む、表面形状測定方法を提供する。
【００１７】
当該方法により、第１センサの測定分解能で、第１及び第２アクチュエータが有する広い第１及び第２可動範囲の範囲内で表面形状を測定することが可能となる。
【００１８】
好ましくは、該第１アクチュエータが、該検出限界内に位置する測定基準点を有し、
該第１センサを該測定軸線の方向で移動させるステップが、該測定点が該測定基準点に近づくように該第１アクチュエータによって該第１センサを該測定軸線の方向で連続的に移動させるステップであるようにすることができる。
【００１９】
さらに好ましくは、
該移動手段が、該ステージを該測定軸線に対して垂直な回転軸線周りで回転させる回転機構と、該表面形状センサユニットを該回転軸線と平行な方向に移動させる垂直移動機構と、を有し、該被測定物が円筒状表面を有する部材であり、
該ステージと該表面形状センサユニットとを相対的に移動させるステップが、該測定点が該被測定物の該円筒状表面上を移動していくように該回転機構によって該ステージを回転させるステップであり、
該第１乃至第３センサの出力値に基づいて、該被測定物の直径と真円度とのうちの少なくとも一方を求めるようにすることができる。
【００２０】
以下、本発明に係る表面形状測定装置及び表面形状測定方法の実施形態を添付図面に基づき説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る表面形状測定装置の正面図である。
【図２】図１の表面形状測定装置の表面形状測定ユニットの側面図である。
【図３】図１の表面形状測定装置によって測定した表面形状データを示す図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る表面形状測定装置の正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の一実施形態に係る表面形状測定装置１００は、図１及び図２に示すように、装置基部１１０と、装置基部１１０に固定された水平面移動機構１１２と、水平面移動機構１１２によって移動され、被測定物Ｗ１を支持するようにされたステージ１１４と、装置基部１１０に固定された垂直粗動テーブル１１６と、垂直粗動テーブル１１６に保持された表面形状センサユニット１２０と、を備える。
【００２３】
表面形状センサユニット１２０は、物体表面にレーザー光を照射し、該物体表面からの反射光を受光することにより物体表面の位置を測定する光式の非接触センサ（第１センサ）１２２と、非接触センサ１２２を保持する第１駆動部１２４と、第１駆動部１２４を保持し、垂直粗動テーブル１１６に固定された第２駆動部１２６とを有する。
【００２４】
非接触センサ１２２は、鉛直方向に延びる測定軸線Ｍの方向での物体表面の位置を測定するようにされ、測定軸線Ｍの方向でおよそ１０マイクロメートルの幅がある検出限界を有し、この検出限界の中心位置に設定された測定基準点からの物体表面の相対的距離を測定するようになっている。また、その測定分解能はおよそ１０ピコメートルである。なお、測定基準点は、測定軸線Ｍ上の任意の位置に設定できる。
【００２５】
第１駆動部１２４は、非接触センサ１２２を測定軸線Ｍの方向で移動させるピエゾアクチュエータ（第１アクチュエータ）とピエゾアクチュエータの変位量を測定するひずみセンサ（第２センサ）とを内蔵している。ピエゾアクチュエータは測定軸線Ｍの方向でおよそ１ミリメートルの幅の可動範囲を有する。また、位置決めの分解能は、およそ２０ナノメートルである。従って、第１駆動部１２４は、非接触センサ１２２を１ミリメートルの範囲内で２０ナノメートルの分解能で位置決めすることができる。
【００２６】
第２駆動部１２６は、第１駆動部１２４を測定軸線Ｍの方向で移動させるモータ駆動の直動テーブル（第２アクチュエータ）と直動テーブルの移動距離を測定するリニアスケール（第３センサ）とを有している。直動テーブルは測定軸線Ｍの方向でおよそ５０ミリメートルの幅の可動範囲を有する。また、位置決めの分解能は、およそ５０ナノメートルである。したがって、第２駆動部１２６は、第１駆動部１２４と第１駆動部１２４に保持された非接触センサ１２２とを５０ミリメートルの範囲内で５０ナノメートルの分解能で位置決めすることができる。
【００２７】
図３ａに示すような表面を有する被測定物Ｗ１の表面形状を当該表面形状測定装置１００によって測定する方法について以下に説明する。当該表面形状測定装置１００により被測定物Ｗ１の表面形状の測定を始めるに際し、まずは、測定対象となる被測定物Ｗ１をステージ１１４上に載置する。次に、水平面移動機構１１２によってステージ１１４を水平方向に移動させることにより、被測定物Ｗ１上の測定開始点Ｐ１が非接触センサ１２２の測定軸線Ｍ上にくるようにして、被測定物Ｗ１の測定開始点Ｐ１と非接触センサ１２２の測定点Ｄとが一致するようにする。また、垂直粗動テーブル１１６で表面形状センサユニット１２０を垂直方向に移動させて、測定点Ｄが非接触センサ１２２の測定限界内もしくはその近傍にくるようにする。そして、表面形状センサユニット１２０の第２駆動部１２６の直動テーブルで非接触センサ１２２を第１駆動部１２４とともに移動させて、測定点Ｄと測定基準点とが一致するようにする。
【００２８】
次に、水平面移動機構１１２によりステージ１１４上に載置された被測定物Ｗ１を表面形状センサユニット１２０に対して水平方向に一定速度で移動させていく。このとき、測定点Ｄは被測定物Ｗ１の表面上を移動していくことになる。非接触センサ１２２は、ステージ１１４の移動に同期して測定点Ｄにおける被測定物Ｗ１の表面位置を連続的に測定していく。第１駆動部１２４のピエゾアクチュエータは、非接触センサ１２２の出力値に基づき、測定点Ｄと測定基準点との間に差異がある場合には、測定点Ｄが測定基準点に近づくように非接触センサ１２２を移動させる。すなわち、ピエゾアクチュエータは、非接触センサ１２２と測定表面との間の距離を一定に保つように非接触センサ１２２を移動させる。このとき第２駆動部１２６の直動テーブルは移動しない。測定点Ｄが測定終了点Ｐ２にまできたら測定を一旦終了する。
【００２９】
表面形状を測定する面の間に第１駆動部１２４の可動範囲を超える大きさの段差Ｓ等がある場合には、一旦表面形状測定を停止し、段差Ｓを越えた再測定開始点Ｐ３の位置において第２駆動部１２６の直動テーブルで非接触センサ１２２を第１駆動部１２４とともに移動させて、測定点Ｄと測定基準点とが再び一致するように位置合わせをする。その後、上述のように、水平面移動機構１１２によりステージ１１４上に載置された被測定物Ｗ１を表面形状センサユニット１２０に対して水平方向に一定速度で移動させながら、再測定開始点Ｐ３から再測定終了点Ｐ４までの表面形状測定を行う。
【００３０】
当該表面形状測定装置１００で、図３ａに示す被測定物Ｗ１の表面を測定したときの、非接触センサ１２２、第１駆動部１２４のひずみセンサ、及び第２駆動部１２６のリニアスケールの出力値を図３ｂ-３ｄにそれぞれ示す。ピエゾアクチュエータは、表面の細かな凹凸に追従できるほどの高速応答性がないので、この凹凸よりも緩やかに変化する表面のうねりに沿って非接触センサ１２２を移動させるようになる。そのため、非接触センサ１２２は、表面のうねりは検出せず表面の細かな凹凸情報だけを検出する（図３ｂ）。その一方で、ピエゾアクチュエータの移動距離を測定したひずみセンサは、表面の細かな凹凸形状は検出せず、表面のうねりだけを検出する（図３ｃ）。直動テーブルは、測定開始点Ｐ１から測定終了点Ｐ２までの表面形状を測定している間は移動しないので、直動テーブルの移動距離を測定するリニアスケールの出力値はこの間は一定となっている（図３ｄ）。測定終了点Ｐ２と再測定開始点Ｐ３との間には大きな段差Ｓがあり、この段差Ｓの前後で、直動テーブルによって非接触センサ１２２の測定点Ｄが測定基準点に一致するように非接触センサ１２２を第１駆動部１２４とともに移動させているため、再測定開始点Ｐ３の位置でリニアスケールの出力値が段差Ｓの高さ分だけ大きくなっている。再測定開始点Ｐ３から再測定終了点Ｐ４までの非接触センサ１２２による出力値には、段差Ｓの分の高さ変動は現れない（図３ｂ）。同様にひずみセンサの出力値にも段差Ｓの分の高さ変動は現れない（図３ｃ）。このようにして測定された非接触センサ１２２、ひずみセンサ、及びリニアスケールの出力値を足し合わせると図３ｅにようになり、これが被測定物Ｗ１の表面形状を測定した結果となる。この測定により、ナノメートルオーダーの測定により表面粗さが求められると同時にミリメートルオーダーの表面の形状も求めることができる。なお、図３の各グラフの縦軸スケールは、各データを強調するためにそれぞれ異なっており、例えば図３ｂはナノメートルオーダーのスケールであり、図３ｄはミリメートルオーダーのスケールである。また、図３ｅは表面形状を強調して表示したものであり、縦軸スケールは一定ではない。さらにステージ１１４の位置も測定すれば、被測定物Ｗ１の各部の板厚を測定することも可能である。
【００３１】
上記実施例においては、被測定物Ｗ１の表面形状の測定中は、第２駆動部１２６の直動テーブルは移動させず一定の位置に保持するようにしているが、例えば、被測定物の表面が全体的に傾斜していたり、なだらかに変化していたりするような場合には、測定中に直動テーブルも同時に移動させて表面形状測定を途切れることなく連続的に行うようにすることもできる。ただし、大きな可動範囲の幅を有する直動テーブルは、もともとピエゾアクチュエータほどの高速応答性はなく、また非接触センサ１２２とピエゾアクチュエータとを合わせた重量を移動させる必要もあるので、図３ａに示す段差Ｓのような急激に形状が変化する部分では通常は追従して移動できない。
【００３２】
本発明の第２の実施形態に係る表面形状測定装置２００は、図４に示すように、装置基部２１０と、装置基部２１０に固定された回転機構２１２と、回転機構２１２によって回転移動され、被測定物Ｗ２を支持するようにされたステージ２１４と、装置基部２１０に保持された垂直粗動テーブル２１６と、垂直粗動テーブル２１６に保持された径方向粗動テーブル２１８と、径方向粗動テーブル２１８に保持された表面形状センサユニット２２０と、を備える。
【００３３】
表面形状センサユニット２２０は、上記第１の実施形態に係る表面形状測定装置１００の表面形状センサユニット１２０と同様に、物体表面にレーザー光を照射し、該物体表面からの反射光を受光することにより物体表面の位置を測定する光式の非接触センサ２２２（第１センサ）と、非接触センサ２２２を保持する第１駆動部２２４と、第１駆動部２２４を保持し、径方向粗動テーブル２１８に固定された第２駆動部２２６とを有する。また、第１駆動部２２４は、非接触センサ２２２を測定軸線Ｍの方向で移動させるピエゾアクチュエータ（第１アクチュエータ）とピエゾアクチュエータの変位量を測定するひずみセンサ（第２センサ）とを内蔵し、第２駆動部２２６は、第１駆動部２２４を測定軸線Ｍの方向で移動させる直動テーブル（第２アクチュエータ）と直動テーブルの移動距離を測定するリニアスケール（第３センサ）とを有している。各センサ及びアクチュエータは、第１の実施形態に係る表面形状測定装置１００のものと同様である。ただし、当該表面形状測定装置２００における表面形状センサユニット２２０は、その測定軸線Ｍがステージ２１４の回転軸線Ｒに対して垂直な方向、すなわち水平方向となるように取り付けられている。
【００３４】
当該表面形状測定装置２００が測定の対象とする被測定物Ｗ２は、円筒状の外周面や内周面を有する円柱状又は円筒状部材である。当該表面形状測定装置２００により被測定物Ｗ２の表面形状測定を始めるに際し、まずは、測定対象となる被測定物Ｗ２の中心軸線がステージ２１４の回転軸線Ｒと一致するようにステージ２１４上に載置する。次に、垂直粗動テーブル２１６によって表面形状センサユニット２２０を垂直方向で移動させることにより、被測定物Ｗ２上の測定開始点が非接触センサ２２２の測定軸線Ｍ上にくるようにして、被測定物Ｗ２の測定開始点と非接触センサ２２２の測定点Ｄとが一致するようにする。また、径方向粗動テーブル２１８で表面形状センサユニット２２０を水平方向に移動させて、測定点Ｄが非接触センサ２２２の測定限界内又はその近傍にくるようにする。そして、表面形状センサユニット２２０の第２駆動部２２６の直動テーブルで非接触センサ２２２を第１駆動部２２４とともに移動させて、測定点Ｄと測定基準点とが一致するようにする。
【００３５】
次に、回転機構２１２によりステージ２１４上に載置された被測定物Ｗ２を表面形状センサユニット２２０に対して回転軸線Ｒの周りで一定速度で回転させる。このとき、測定点Ｄは被測定物Ｗ２の円筒状表面上を移動していくことになる。非接触センサ２２２は、ステージ２１４の回転に同期して測定点Ｄにおける被測定物Ｗ２の表面位置を連続的に測定していく。第１駆動部２２４のピエゾアクチュエータは、非接触センサ２２２の出力値に基づき、測定点Ｄと測定基準点との間に差異がある場合には、測定点Ｄが測定基準点に近づくように非接触センサ２２２を移動させる。すなわち、ピエゾアクチュエータは、非接触センサ２２２と測定表面との間の距離を一定に保つように非接触センサ２２２を移動させる。このとき第２駆動部２２６の直動テーブルは移動しない。測定点Ｄが円筒状表面上を一周したら測定を終了する。
【００３６】
垂直方向の別の位置での円筒状表面の測定をする場合には、次の測定開始点まで垂直粗動テーブル２１６により表面形状センサユニット２２０を垂直方向に移動させる。このとき、先に測定した円筒状表面の半径と次に測定する円筒状表面の半径とが異なる場合には、第２駆動部２２６の直動テーブルで非接触センサ２２２を第１駆動部２２４とともに移動させて、測定点Ｄと測定基準点とが一致するようにするように再度位置合わせをする。その後、上述のように、回転機構２１２によりステージ２１４上に載置された被測定物Ｗ２を表面形状センサユニット２２０に対して回転軸線Ｒの周りで一定速度で回転させながら、表面形状測定を行うようにする。このような測定を行うことにより、各円筒状表面の半径の差異を正確に測定することができる。
【００３７】
当該表面形状測定装置２００においては、被測定物Ｗ２の測定に先立って、直径が既知の基準ゲージを測定して、ステージ２１４の回転軸線Ｒの位置において各センサの出力値がゼロになるように校正をしておくことにより、被測定物Ｗ２の円筒状表面の直径を正確に測定することも可能である。また、非接触センサ２２２のレーザー出射部及び受光部は、下方に細長く延びるように形成されているので、非接触センサ２２２を円筒状部材の中に挿入して、円筒状部材の内周面の測定をすることも可能である。
【００３８】
このように、本発明の表面形状測定装置１００，２００によれば、ミリメートルオーダーの高低差がある表面の表面形状をナノメートルオーダーの測定分解能で一度に測定することができるので、従来複数の測定装置を必要としていた被測定物の表面形状測定を一つの測定装置で行うことが可能となる。
【００３９】
上記実施形態において示した表面形状センサユニット１２０、２２０の各センサ及びアクチュエータの性能を示す具体的数値は単なる例示であり、それ以外の性能値を有するものでもよいが、例えば、非接触センサ１２２、２２２（第１センサ）の検出限界は１マイクロメートル以上０．１ミリメートル未満であるのが好ましく、またその分解能は１ピコメートルから１ナノメートルの範囲内であるのが好ましく、ピエゾアクチュエータ（第１アクチュエータ）の可動範囲は０．１ミリメートル以上２ミリメートル未満であるのが好ましく、直動テーブル（第２アクチュエータ）の可動範囲は１０ミリメートル以上３００ミリメートル未満であるのが好ましく、ひずみセンサ（第２センサ）の分解能は１ナノメートルから５０ナノメートルの範囲内であるのが好ましく、リニアスケール（第３センサ）の分解能は１ナノメートルから１００ナノメートルの範囲内であるのが好ましい。
【００４０】
光式の非接触センサ１２２、２２２は、上記性能と同程度の性能を有するものであれば、例えば触針式の接触センサのような他のセンサを利用してもよい。また、第１駆動部１２４、２２４及び第２駆動部１２６、２２６をそれぞれ構成する、ピエゾアクチュエータ、ひずみセンサ、直動テーブル、及びリニアスケールについても、上記性能と同程度の性能を有するものであれば、他のアクチュエータ及びセンサを使用することができる。
【００４１】
また、上記実施形態においては、非接触センサ１２２、２２２が物体表面の一点の高さを測定する点計測センサであるとして説明をしてきたが、検出素子がライン状又は面状に配置されたライン計測センサ又は面計測センサとすることもできる。例えば、ライン計測センサの場合には、一度に物体表面上のライン状の位置での高さを同時に測定することができるが、そのライン状のいずれかの点を上記実施形態における測定点Ｄとして選択して、当該ライン計測センサの測定軸線Ｍの方向での位置制御を行うようにすることができる。または、測定中に測定点Ｄを別のライン状の点に変更するようにしてもよい。これらは面計測センサについても同様である。
【符号の説明】
【００４２】
表面形状測定装置１００；装置基部１１０；水平面移動機構１１２；ステージ１１４；垂直粗動テーブル１１６；表面形状センサユニット１２０；非接触センサ（第１センサ）１２２；第１駆動部１２４；第２駆動部１２６；
表面形状測定装置２００；装置基部２１０；回転機構２１２；ステージ２１４；垂直粗動テーブル２１６；径方向粗動テーブル２１８；表面形状センサユニット２２０；非接触センサ（第１センサ）２２２；第１駆動部２２４；第２駆動部２２６；
被測定物Ｗ１、Ｗ２；測定軸線Ｍ；測定点Ｄ；測定開始点Ｐ１：測定終了点Ｐ２；再測定開始点Ｐ３；再測定終了点Ｐ４；段差Ｓ；回転軸線Ｒ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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