JP3221751B2 - Ｘ線回折装置の微回転ゴニオメータ - Google Patents

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】この発明は、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】

【００２６】

【００２７】

【作用】この発明は、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】こ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、こ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こ
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４２
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
ータにこ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３２ｃ
の先端には、インボリュート曲線からなる平滑面２８ｃ
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３
２ｃ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２８ｃ
と垂直に交わる。したがって、鋼球４２ｃが平滑面２８
ｃ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】

【００３８】

【００３９】

【００４０】

【００４１】

【００４２】

【００４３】

【００４４】

【発明の効果】こ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】

【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】こ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】こ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 (1)

(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。