JPH06130194A

JPH06130194A - Ｘ線回折装置の微回転ゴニオメータ

Info

Publication number: JPH06130194A
Application number: JP4305851A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Kikuchi; 哲夫菊池
Original assignee: Rigaku Denki Co Ltd; Rigaku Corp
Current assignee: Rigaku Denki Co Ltd; Rigaku Corp
Priority date: 1992-10-21
Filing date: 1992-10-21
Publication date: 1994-05-13
Anticipated expiration: 2016-10-22
Also published as: JP3221751B2

Abstract

(57)【要約】【目的】比較的広い測角範囲にわたって精密な角度制
御を可能にする。【構成】ゴニオメータの回転軸２４にアーム２６が固
定され、アーム２６の先端には、インボリュート曲線か
らなる平滑面２８が形成される。マイクロメータ３０の
スピンドル３２の先端は針状に尖っていて、平滑面２８
を押している。マイクロメータ３０を回転させると、ス
ピンドル３２が図面の上下方向に移動し、アーム２６が
微小角度θだけ回転する。平滑面２８がインボリュート
曲線で形成されているので、スピンドル３２の移動距離
ｘは、アーム２６の回転角度θに完全に比例する。した
がって、従来のタンジェントバー方式やサインバー方式
の微回転ゴニオメータと比較して、アームの回転に伴う
測角誤差が存在せず、比較的広い測角範囲で誤差のない
角度制御が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、Ｘ線回折装置のゴニ
オメータの試料台や検出器支持台を微小回転させるため
の微回転ゴニオメータに関する。

【０００２】

【従来の技術】２結晶法を用いた精密Ｘ線回折装置で
は、試料台を微小回転させるための特別なゴニオメータ
が使用される。このような微小回転を可能にするゴニオ
メータを、以下、微回転ゴニオメータと呼ぶ。

【０００３】従来の微回転ゴニオメータは、サインバー
方式あるいはタンジェントバー方式（タンジェンシャル
スクリュー方式）を採用している。図７の（Ａ）はサイ
ンバー方式の微回転ゴニオメータの原理を示した平面図
である。試料台の回転軸１０に直角にアーム１２が固定
され、アーム１２の先端付近がマイクロメータ１４のス
ピンドル１６に押されるようになっている。スピンドル
１６とは反対の側には、押圧ばね１７に支持された支持
棒１８がある。アーム１２の先端付近には鋼球２０が埋
め込まれていて、スピンドル１６の端面（平坦面）は鋼
球２０に接触する。基台２２に固定されたマイクロメー
タ１４を回転させると、スピンドル１６が直線運動し
て、アーム１２が微小角度だけ回転する。回転軸１０の
回転中心から鋼球２０の中心までの距離をＬ、スピンド
ル１６の移動距離（すなわち鋼球２０の中心がスピンド
ル１６の移動方向に動く距離）をｘ、アーム１２の回転
角をθとすると、これらの間には次の関係がある。

【０００４】

【数１】ｘ＝Ｌ・ｓｉｎθ …（１） θ＝ｓｉｎ^-1（ｘ／Ｌ）…（２）

【０００５】したがって、図７の（Ａ）に示す微回転ゴ
ニオメータはサインバー方式と呼ばれる。上記式（１）
において、θの単位をラジアンとし、θが十分小さいと
き（距離Ｌに対して移動距離ｘが十分短いとき）は、次
式のように近似できる。

【０００６】

【数２】ｘ＝Ｌ・θ …（３） θ＝ｘ／Ｌ…（４）

【０００７】すなわち、θが小さいときには、スピンド
ル１６の変位ｘと、アーム１２の角度θとは比例関係に
あり、ゴニオメータの回転軸１０を微小角度だけ回転さ
せるには、その回転角度に比例した量だけスピンドル１
６を変位させている。例えば、Ｌ＝２０６．３ｍｍにす
ると、スピンドルの変位１μｍが、アーム１２（すなわ
ち回転軸１０）の回転角度１秒に相当する。

【０００８】図７の（Ｂ）はタンジェントバー方式の微
回転ゴニオメータの原理を示した平面図である。この方
式では、マイクロメータ１４ｂのスピンドル１６ｂの先
端が尖っており、これでアーム１２ｂの平坦面１３を押
している。回転軸１０の回転中心からスピンドル１６ｂ
の先端までの距離をＬ、スピンドル１６の移動距離を
ｘ、アーム１２ｂの回転角をθとすると、これらの間に
は次の関係がある。

【０００９】

【数３】ｘ＝Ｌ・ｔａｎθ …（５） θ＝ｔａｎ^-1（ｘ／Ｌ）…（６）

【００１０】したがって、図７の（Ｂ）に示す微回転ゴ
ニオメータはタンジェントバー方式と呼ばれる。上記式
（５）及び（６）においても、θの単位をラジアンと
し、θが十分小さいとき（距離Ｌに対して移動距離ｘが
十分短いとき）は、式（３）及び（４）と同様に近似で
きる。

【００１１】図７の（Ｃ）はサインバー方式とタンジェ
ントバー方式の複合型の微回転ゴニオメータの原理を示
した平面図である。この方式では、マイクロメータ１４
ｃのスピンドル１６ｃの先端に鋼球２０ｃを埋め込んで
あり、これでアーム１２ｃの平坦面１３ｃを押してい
る。

【００１２】いずれの微回転ゴニオメータにおいても、
マイクロメータのスピンドルの変位を回転角度に変換す
ることによって、回転軸を微小角度だけ正確に回転させ
るようにしている。

【００１３】一方で、広い角度範囲にわたる回転を実施
するためには、図８の（Ａ）に示すように、モータ５に
よるウォーム２の回転をウォームホイール４に伝える形
式のゴニオメータが用いられている。この広角ゴニオメ
ータでは、通常、０．００１度（３．６秒）のステップ
サイズで回転できるが、そのステップ精度は±１秒程度
である。また、ウォーム軸の１回転はゴニオメータの回
転角で１度に相当するが、ウォーム軸の１回転の間に数
秒の酔歩が存在する。さらに、ゴニオメータ回転軸６と
ウォームホイール４との間の偏心ずれやウォームホイー
ル４の真円からのずれによる累積誤差は全振幅で２０秒
程度ある。図８の（Ｂ）に示すように、ウォーム軸に減
速機８をつけてステップサイズを小さくする処理をした
ゴニオメータもあるが、この場合は、減速機８による誤
差も伴う。したがって、通常の広角ゴニオメータは、測
定の目的によっては、必要な精度が得られない場合があ
る。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の微回転
ゴニオメータにおいては、回転角度θが小さい範囲では
精度の高い微小回転を実現できるが、θの角度が大きく
なるにしたがって、誤差が拡大する。すなわち、式
（４）の近似式と式（２）の理論式の間の誤差分だけ、
誤差が拡大する。したがって、回転角度θの広い範囲に
わたっての角度制御には従来の微回転ゴニオメータを用
いることができない。例えば、角度誤差をコンマ数秒以
内にしたいときには、θを±１度の範囲内で使用しなけ
ればならない。また、角度誤差を１秒以内とする場合
は、θを±２度の範囲内で使用しなければならない。

【００１５】従来の微回転ゴニオメータは、２結晶法に
よる精密Ｘ線回折装置に用いられ、主としてロッキング
カーブの測定に用いられてきた。例えば、ロッキングカ
ーブの測定によって、基板結晶上にエピタキシャル成長
させた単結晶薄膜のミスマッチ量を求めることができ
る。このような場合の測角範囲は数百秒程度でよく、従
来の微回転ゴニオメータで何ら問題はなかった。しか
し、薄膜の構造も複雑になり、微回転ゴニオメータを超
格子の周期測定にも利用するようになってきた。超格子
の周期測定のためには、ブラッグ反射のまわりに出現す
るサテライト反射（衛星反射）の角度位置を測定する必
要があるが、この場合の測角範囲は５〜６度に及ぶこと
もある。また、小角領域にも超格子の周期に応じたピー
クが現れ、その角度位置により周期を決定することがで
きるが、この場合の測角範囲はやはり５〜８度程度にな
る。このような広い範囲の精密測定には、従来の微回転
ゴニオメータでは誤差が大きくて対応できなかった。

【００１６】表１はサインバー方式の微回転ゴニオメー
タの誤差を示したものである。この誤差Δθは次の式
（７）で計算できる。

【００１７】

【数４】 Δθ＝（ｘ／Ｌ）−ｓｉｎ^-1（ｘ／Ｌ）…（７）

【００１８】表２はタンジェントバー方式の微回転ゴニ
オメータの誤差を示したものである。この誤差Δθは次
の式（８）で計算できる。

【００１９】

【数５】 Δθ＝（ｘ／Ｌ）−ｔａｎ^-1（ｘ／Ｌ）…（８）

【００２０】

【表１】

【００２１】

【表２】

【００２２】この発明の目的は、比較的広い測角範囲に
わたって精密な角度制御が可能な微回転ゴニオメータを
提供することにある。

【００２３】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、ゴニオメ
ータの回転軸にアームが固定され、このアームは前記回
転軸の回転中心から離れる方向に延び、前記アームの先
端付近は直線移動装置によって移動可能にされている、
Ｘ線回折装置の微回転ゴニオメータにおいて、前記アー
ム及び前記直線移動装置の一方に突起部が形成され、他
方にインボリュート曲線の形状をした平滑面が形成さ
れ、前記突起部と前記平滑面が互いにすべり接触しなが
ら、直線移動装置の移動によってアームが回転すること
を特徴としている。

【００２４】サインバー方式の微回転ゴニオメータに本
発明を適用する場合には、アームの先端付近に突起部と
して鋼球を埋め込み、直線移動装置の先端にインボリュ
ート曲線の形状をした平滑面を形成する。タンジェント
バー方式及び複合型の微回転ゴニオメータに本発明を適
用する場合には、アームの先端付近にインボリュート曲
線の形状をした平滑面を形成し、直線移動装置の先端に
は、尖った突起部を形成するか、鋼球を埋め込む。

【００２５】第２の発明は、ゴニオメータの回転軸にア
ームが固定され、このアームは前記回転軸の回転中心か
ら離れる方向に延び、前記アームの先端付近は直線移動
装置によって移動可能にされている、Ｘ線回折装置の微
回転ゴニオメータにおいて、前記アーム及び前記直線移
動装置の一方に突起部が形成され、他方に平面からなる
平滑面が形成され、前記突起部と前記平滑面が互いにす
べり接触しながら、直線移動装置の移動によってアーム
が回転し、前記直線移動装置の変位と前記アームの回転
角度との関係が三角関数を用いた関係式によって規定さ
れることを特徴としている。

【００２６】サインバー方式の微回転ゴニオメータに本
発明を適用する場合には、上記関係式は、サイン関数に
よって規定される。タンジェントバー方式の微回転ゴニ
オメータに本発明を適用する場合には、上記関係式は、
タンジェント関数によって規定される。複合型方式の微
回転ゴニオメータに本発明を適用する場合には、上記関
係式は、サイン関数とタンジェント関数とによって規定
される。いずれの場合も、アームに所望の回転角度を与
えるには、上記関係式によって求められた変位だけ直線
移動装置を移動させることになる。回転角度から変位を
求めるには、コンピュータを使って上記関係式の演算を
してもよいし、あらかじめＲＯＭなどのメモリーに上記
関係式で求めた数値の対照表を格納しておいて、これを
読み出してもよい。

【００２７】

【作用】第１の発明は、インボリュート曲線を用いて平
滑面を構成することにより、直線移動装置の変位とアー
ムの回転角度とを常に比例関係に保っている。これによ
り、直線移動装置の制御方法を従来の微回転ゴニオメー
タと全く同じにしたままで、従来の微回転ゴニオメータ
と比較して広い角度範囲で誤差を生じることなくゴニオ
メータの精密な角度制御が可能となる。

【００２８】第２の発明は、直線移動装置の変位とアー
ムの回転角度との関係を、三角関数を用いて規定してい
る。すなわち、この発明では、直線移動装置の変位とア
ームの回転角度とは比例関係になく、アームの所望の回
転角度を得るために、幾何学的な数式関係を厳密に適用
して直線移動装置の変位を制御している。これにより、
従来の微回転ゴニオメータの機械的構造を全く同じにし
たままで、直線移動装置の変位の制御方法を変更するだ
けで、従来の微回転ゴニオメータと比較して広い角度範
囲で誤差を生じることなくゴニオメータの精密な角度制
御が可能となる。第１の発明及び第２の発明に係る微回
転ゴニオメータは、２結晶法を用いた精密Ｘ線回折装置
や、Ｘ線鏡面反射の反射率測定装置などに利用すると効
果的である。

【００２９】

【実施例】図１は、第１の発明の一実施例を示す平面図
である。この実施例は、第１の発明をタンジェントバー
方式の微回転ゴニオメータに適用したものである。図１
の（Ａ）において、ゴニオメータの回転軸２４にはアー
ム２６が固定され、このアーム２６は回転軸２４の中心
から離れる方向に回転軸２４に対して垂直に延びてい
る。アーム２６の先端には平滑面２８が形成されてい
る。この平滑面２８はマイクロメータ３０のスピンドル
３２に押されるようになっている。スピンドル３２の先
端は針状に尖っている。スピンドル３２とは反対の側に
は、押圧ばね３４に支持された支持棒３６がある。基台
３８に固定されたマイクロメータ３０を回転させると、
スピンドル３２が直線運動して、スピンドル３２の先端
とアーム２６の平滑面２８がすべり接触しながら、アー
ム２６が微小角度だけ回転する。マイクロメータ３０は
モータ駆動による差動マイクロメータであり、そのスピ
ンドル３２は回転することなく図面の上下方向に移動で
きる。

【００３０】図１の（Ｂ）はアーム２６がθだけ反時計
方向に回転した状態を示す。ここで、回転軸２４の回転
中心からスピンドル３２の中心までの距離をＬ、スピン
ドル３２の移動距離をｘ、アーム２６の回転角をθとす
る。

【００３１】図２はアーム２６の先端部分の拡大平面図
である。アーム２６の平滑面２８は、ゴニオメータの回
転軸に垂直な平面で切断したときの形状が、インボリュ
ート曲線となっている。このインボリュート曲線の基礎
円４０はその直径がＬに等しい。アーム２６が実線の位
置にあるときに、スピンドル３２は点ａにおいて平滑面
２８に接触している。スピンドル３２が距離ｘだけ図面
の上方に移動すると、アーム２６はθだけ回転し、アー
ム２６上の点ａは点ｂに移動する。一方、スピンドル３
２の先端は、平滑面２８上を滑って、点ａから点ｃに移
動する。平滑面２８はインボリュート曲線で形成されて
いるので、円弧ａｂの長さは、直線ａｃの長さに等し
い。また、円弧ａｂの長さは角度θに比例し、Ｌ×θと
なる（ただし、θの単位はラジアン）。したがって、ス
ピンドル３２の移動距離ｘ（すなわち直線ａｃの長さ）
も、Ｌ×θとなる。これにより、スピンドル３２の変位
ｘとアーム２６の回転角度θとは常に厳密に比例関係を
保つことになる。その結果、従来の微回転ゴニオメータ
の欠点、すなわち回転角度が増大するに連れて誤差が増
大すること、が解消された。

【００３２】図１及び図２に示した微回転ゴニオメータ
は、アーム２６が基準状態よりも反時計方向側にあると
きにのみ使用できる。したがって、この微回転ゴニオメ
ータを使用するときは、測定したい角度範囲のうちで最
も時計方向側の角度位置をアーム２６の基準状態にもっ
てくる必要がある。このゴニオメータによれば、平滑面
２８を構成するインボリュート曲線の長さに相当するす
べての角度範囲において精密な角度制御が可能となる。
この実施例では１０°以上の角度範囲で精密な角度制御
が可能となった。その測角精度は、平滑面２８のインボ
リュート曲線の加工精度にも依存するが、０．１〜０．
５秒程度である。平滑面２８の加工は、数値制御の研磨
機により容易に実施できる。

【００３３】図３は、アーム２６ａが基準状態よりも時
計方向側にあるときにのみ使用できるタンジェントバー
方式の微回転ゴニオメータの、アームの先端付近の拡大
図である。平滑面２８ａは、図２に示したのと逆方向に
カーブするようなインボリュート曲線からなる。この場
合も、厳密にｘ＝Ｌ×θとなる。

【００３４】図４は、複合型の微回転ゴニオメータに第
１の発明を適用した実施例の、図２と同様の拡大平面図
である。この場合、スピンドル３２ｂの先端には鋼球４
２が埋め込まれている。平滑面２８ｂは、図２と同じイ
ンボリュート曲線で形成されている。インボリュート曲
線の性質から、アーム２６ｂの回転角度θが変化して
も、スピンドル３２ｂの中心線４４と、平滑面２８ｂと
は、常に垂直に交わる。したがって、鋼球４２は、常に
図面の最上点の位置において平滑面２８ｂと接触する。
ゆえに、スピンドル３２ｂの変位ｘは、ｘ＝［直線ａｃ
の長さ］＝［円弧ａｂの長さ］＝Ｌ×θとなる。この複
合型の実施例においても、図３と同様に、時計方向回転
に適用できるような変更例が可能である。

【００３５】図５は、サインバー方式の微回転ゴニオメ
ータに第１の発明を適用した実施例の、図２と同様の拡
大平面図である。この場合、アーム２６ｃの先端付近に
鋼球４２ｃが埋め込まれている。一方、スピンドル３２
ｃの先端には、インボリュート曲線からなる平滑面２８
ｃが形成されている。回転軸の中心から鋼球４２ｃの中
心までの距離（すなわち、回転軸の中心からスピンドル
３２ｃの中心線４４ｃまでの距離）をＬとすると、イン
ボリュート曲線の基礎円４０の直径はＬに等しい。アー
ム２６ｃが実線の位置にあるときに、スピンドル３２ｃ
の平滑面２８ｃは、点ａにおいて鋼球４２ｃに接触して
いる。スピンドル３２ｃが距離ｘだけ図面の上方に移動
すると、アーム２６ｃはθだけ回転し、鋼球４２ｃ上の
点ａは、平滑面２８ｃ上をすべって、点ｂに移動する。
一方、平滑面２８ｃ上の点ａは、点ｃに移動する。イン
ボリュート曲線の性質から、円弧ａｂは常に平滑面２８
ｃと垂直に交わる。したがって、鋼球４２ｃが平滑面２
８ｃに接触するときの鋼球４２ｃ上の接触点は常に一定
である。スピンドル３２ｃの変位ｘは、ｘ＝［直線ａｃ
の長さ］＝［円弧ａｂの長さ］＝Ｌ×θとなる。このゴ
ニオメータは、アーム２６ｃが基準状態よりも反時計方
向側にあるときにのみ使用できる。

【００３６】図６は、アーム２６ｄが基準状態よりも時
計方向側にあるときのみ使用できるサインバー方式の微
回転ゴニオメータの、アームの先端付近の拡大図であ
る。平滑面２８ｄは、図５に示したのと逆方向にカーブ
するようなインボリュート曲線からなる。この場合も、
厳密にｘ＝Ｌ×θとなる。

【００３７】第２の発明は、上述の第１の発明とは異な
って、微回転ゴニオメータの機械的構造は図７に示す従
来のゴニオメータと同じである。ただし、マイクロメー
タのスピンドルの制御方法が従来とは異なる。従来の微
回転ゴニオメータでは、スピンドルの変位とアームの回
転角度とが比例するとして、スピンドルの変位を制御し
ていた。そのために、アームの回転角度が増加していく
と、誤差が増加していった。これに対して、第２の発明
では、スピンドルの変位とアームの回転角度との関係を
幾何学的に厳密に規定して、その数式通りにスピンドル
の変位を制御している。すなわち、図７の（Ａ）に示す
サインバー方式の微回転ゴニオメータにあっては、スピ
ンドルの変位ｘとアームの回転角度θが次の式（１）を
満たすように、スピンドルを制御する。

【００３８】

【数６】ｘ＝Ｌ・ｓｉｎθ …（１）

【００３９】また、図７の（Ｂ）に示すタンジェントバ
ー方式の微回転ゴニオメータにあっては、スピンドルの
変位ｘとアームの回転角度θが次の式（５）を満たすよ
うに、スピンドルを制御する。

【００４０】

【数７】ｘ＝Ｌ・ｔａｎθ …（５）

【００４１】さらに、図７の（Ｃ）に示す複合型の微回
転ゴニオメータにあっては、スピンドルの変位ｘとアー
ムの回転角度θが次の式（９）（１０）を満たすよう
に、スピンドルを制御する。

【００４２】

【数８】 θ＝ｔａｎ^-1（（ｘ−ｒ）／Ｌ）＋ｓｉｎ^-1（ｒ／Ｍ） …（９）Ｍ＝（Ｌ²＋（ｘ−ｒ）²）^1/2 …（１０）ただし、ｒはスピンドルの先端の鋼球２０ｃの半径であ
る。

【００４３】これらの数式に従ってスピンドルの変位を
制御するには、コンピュータからの指令によってマイク
ロメータの駆動を制御すればよい。その際、アームの所
望の回転角度θをもとにして、上述の数式を演算するこ
とにより、スピンドルの変位ｘをその都度求めることが
できる。あるいは、上述の数式に基づいてアームの回転
角度θとスピンドルの変位ｘとの対照表をＲＯＭに格納
しておき、アームの所望の回転角度θに対応したスピン
ドルの変位ｘをＲＯＭから読み出してマイクロメータに
指令を出すようにしてもよい。

【００４４】

【発明の効果】第１の発明の微回転ゴニオメータは、イ
ンボリュート曲線を用いて平滑面を構成することによ
り、直線移動装置の変位とアームの回転角度とを厳密に
比例関係に保つことができ、従来の微回転ゴニオメータ
と比較して広い角度範囲でゴニオメータの精密な角度制
御が可能となる。

【００４５】第２の発明は、直線移動装置の変位とアー
ムの回転角度との関係を、三角関数を用いて規定してい
るので、アームの所望の回転角度を得るために、幾何学
的な数式関係を厳密に適用して直線移動装置の変位を制
御することができる。これにより、従来の微回転ゴニオ
メータの機械的構造を全く同じにしたままで、直線移動
装置の変位の制御方法を変更するだけで、従来の微回転
ゴニオメータと比較して広い角度範囲でゴニオメータの
精密な角度制御が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の発明の一実施例を示す平面図である。

【図２】図１のゴニオメータのアームの先端付近の拡大
平面図である。

【図３】図２のゴニオメータの変更例の拡大平面図であ
る。

【図４】第１の発明の別の実施例のアームの先端付近の
拡大平面図である。

【図５】第１の発明のさらに別の実施例のアームの先端
付近の拡大平面図である。

【図６】図５のゴニオメータの変更例の拡大平面図であ
る。

【図７】従来の微回転ゴニオメータの平面図である。

【図８】従来の広角ゴニオメータの斜視図である。

【符号の説明】

２４…回転軸２６…アーム２８…平滑面３０…マイクロメータ３２…スピンドル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ゴニオメータの回転軸にアームが固定さ
れ、このアームは前記回転軸の回転中心から離れる方向
に延び、前記アームの先端付近は直線移動装置によって
移動可能にされている、Ｘ線回折装置の微回転ゴニオメ
ータにおいて、前記アーム及び前記直線移動装置の一方に突起部が形成
され、他方にインボリュート曲線の形状をした平滑面が
形成され、前記突起部と前記平滑面が互いにすべり接触
しながら、直線移動装置の移動によってアームが回転す
ることを特徴とする微回転ゴニオメータ。
【請求項２】ゴニオメータの回転軸にアームが固定さ
れ、このアームは前記回転軸の回転中心から離れる方向
に延び、前記アームの先端付近は直線移動装置によって
移動可能にされている、Ｘ線回折装置の微回転ゴニオメ
ータにおいて、前記アーム及び前記直線移動装置の一方に突起部が形成
され、他方に平面からなる平滑面が形成され、前記突起
部と前記平滑面が互いにすべり接触しながら、直線移動
装置の移動によってアームが回転し、前記直線移動装置
の変位と前記アームの回転角度との関係が三角関数を用
いた関係式によって規定されることを特徴とする微回転
ゴニオメータ。