JP3170527B2 - X線回折装置の微回転ゴニオメータ - Google Patents

X線回折装置の微回転ゴニオメータ

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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4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4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4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4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4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5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5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
ムの先端に前記回転中心を中心とする円弧面が形成さ
れ、この円弧面にワイヤが巻かれ、ワイヤの一端はアー
ムに固定され、ワイヤの他端は直線移動装置に固定さ
れ、アームは前記ワイヤの前記一端側の方向に常に引っ
張られた状態にあることを特徴としている。本発明にお
けるワイヤは、線状のものに限らず、帯状のものも含
む。また、ワイヤの材質は、金属に限らず、伸び縮みの
少ない合成樹脂材料なども使用できる。
【0024】第2の発明は、第1の発明において、前記
アームは、アームの変位にかかわらずにアームに常に一
定の引っ張り力を付与する渦巻きばね装置に結合されて
いることにより、常に引っ張られた状態にあることを特
徴としている。
【0025】
【作用】アームの先端の円弧面の中心は、ゴニオメータ
の回転中心上にあるので、この円弧面に巻き付けたワイ
ヤを、円弧面の接線方向に引っ張ることによってアーム
を回転させた場合、アームの回転角度はワイヤの直線移
動距離に完全に比例する。したがって、ワイヤの直線移
動をマイクロメータのような微小移動装置で制御すれ
ば、アームの回転角度を精密に制御することができ、し
かも比較的広い角度範囲にわたって誤差が増大すること
なく角度制御が可能である。本発明の微回転ゴニオメー
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。
【0026】
【実施例】図1は、この発明の一実施例を示す平面図で
ある。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
の先端には円弧面28が形成されている。この円弧面2
8の中心は回転軸24の中心と一致している。円弧面2
8にはワイヤ30が巻き付けられ、このワイヤ30の一
端は、円弧面28の一端の近傍に固定装置32で固定さ
れている。ワイヤ30の他端はマイクロメータ34のス
ピンドル36に固定されている。
【0027】マイクロメータ34はゴニオメータの基台
33に取り付けられている。マイクロメータ34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36は、回転することなく矢印38の方向(すなわち
円弧面28の接線方向)に移動できる。
【0028】ワイヤ30の直径は0.2〜0.5mmで
ある。ワイヤ30の材質は、ピアノ線やリン青銅など
の、高張力でかつ可撓性のある材料が用いられるが、特
に金属製である必要はない。
【0029】アーム26の一方側の側面40にはフック
42が固定され、このフック42に渦巻きばね装置44
が接続されている。渦巻きばね装置44の中心部46は
基台に固定されている。この渦巻きばね装置44は、そ
の巻き度合いに依存せずに、ほぼ一定の張力でフック4
2を矢印48の方向に引っ張る働きをしている。これに
より、ワイヤ30には常に一定の張力が作用し、張力変
化に伴うワイヤ30の伸び縮みを防いでいる。なお、ワ
イヤ30は温度変化によっても伸び縮みを生じるが、微
回転ゴニオメータは通常、恒温室などの温度変化の少な
い場所に設置されるので、この心配はあまりいらない。
【0030】円弧面28の半径をR、ワイヤ30の直径
をDとすると、回転軸24の中心からワイヤ30の中心
までの距離LはL=R+(D/2)となる。マイクロメ
ータ34のスピンドル36の移動距離をxとすると、ア
ーム26の回転角θ(単位はラジアン)はθ=x/Lと
なる。すなわち、スピンドル36の移動距離xとアーム
の回転角θは完全に比例し、しかも、θが増加していっ
てもその比例関係は保たれる。したがって、円弧面28
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。
【0031】図2は、スピンドル36を図面の上方向に
移動させてアーム26を反時計方向にθだけ回転させた
状態を示した平面図である。図3は、スピンドル36を
図面の下方向に移動させてアーム26を時計方向にθだ
け回転させた状態を示した平面図である。
【0032】
【発明の効果】この発明の微回転ゴニオメータは、アー
ムの先端の円弧面にワイヤを巻き付けて、このワイヤを
円弧面の接線方向に引っ張ってアームを回転させるよう
にしているので、ワイヤの直線移動距離とアームの回転
角度とが完全に比例し、従来の微回転ゴニオメータと比
較して広い角度範囲にわたって精密な角度制御が可能と
なる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の一実施例を示す平面図である。
【図2】図1のゴニオメータを反時計方向に微小回転さ
せたときの平面図である。
【図3】図1のゴニオメータを時計方向に微小回転させ
たときの平面図である。
【図4】従来の微回転ゴニオメータの平面図である。
【図5】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…円弧面 30…ワイヤ 32…固定装置 34…マイクロメータ 44…渦巻きばね装置

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【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、 前記アームの先端に前記回転中心を中心とする円弧面が
    形成され、この円弧面にワイヤが巻かれ、ワイヤの一端
    はアームに固定され、ワイヤの他端は直線移動装置に固
    定され、アームは前記ワイヤの前記一端側の方向に常に
    引っ張られた状態にあることを特徴とする、微回転ゴニ
    オメータ。
  2. 【請求項2】 前記アームは、アームの変位にかかわら
    ずにアームに常に一定の引っ張り力を付与する渦巻きば
    ね装置に結合されていることにより、常に引っ張られた
    状態にあることを特徴とする請求項1記載の微回転ゴニ
    オメータ。
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