JP4040036B2 - ゴニオメータの制御方法、ゴニオメータ、４軸ゴニオメータ、およびｘ線回折装置 - Google Patents

Description

この発明は、複数の回転軸を有するゴニオメータの制御方法と、同制御方法の実施に好適なゴニオメータ、および当該ゴニオメータを搭載するＸ線回折装置に関する。

例えば、κ（kappa）ゴニオメータと称する４軸ゴニオメータは、２θ軸周りに回転するとともにＸ線検出器を搭載するカウンタアームと、２θ軸と同軸上のω軸周りに回転するω回転台と、ω軸に斜め下方から交叉するκ軸周りにω回転台上で回転するκ回転台と、２θ軸と同軸上のθ軸周りにκ回転台上で回転する試料台と、を備えている（特許文献１参照）。

この種の４軸ゴニオメータにおいては、κ回転台やω回転台が回転動作に伴い、周囲に存在するコリメータ等の障害物と干渉するため、この干渉を検出するリミッタとしてのセンサやリミットスイッチを障害物の周囲に設置しておく必要があった（特許文献２参照）。
ＵＳＰ３，６３６，３４７号公報 特開平８−７５６７８号公報

しかしながら、センサやリミットスイッチで構成されるリミッタを設置した場合、当該リミッタ自体が障害物となってしまい、κ回転台やω回転台の回転可能角度範囲を狭めてしまうという問題があった。
さらに、センサやリミットスイッチでは、κ回転台やω回転台の３６０°以上の回転角度にわたる障害物との干渉を高精度に検出することができないため、もっとも安全な角度に設定せざるを得ず、κ回転台やω回転台の回転動作がいっそう限定されていた。
本発明は、このような事情に基づいてなされたもので、障害物との干渉を高精度に検出することができ、しかも各回転部の動作範囲を広げかつ自由度の高い回転動作を実現することを目的とする。

本発明に係るゴニオメータの制御方法は、複数の回転部を有するゴニオメータの制御方法であって、
回転部の少なくとも二つの回転角度をそれぞれ検出するとともに、
検出対象となっている各回転部に関し、あらかじめ回転可能角度領域および回転規制角度領域を相対的に設定しておき、
検出された各回転角度情報を、あらかじめ設定した回転可能角度領域および回転規制角度領域と対比して、当該対比結果に基づき検出対象となっている各回転部の回転動作を制御することを特徴とする。

また、本発明に係るゴニオメータは、複数の回転部を有するゴニオメータであって、
回転部の少なくとも二つの回転角度をそれぞれ検出する回転角度検出手段と、
検出対象となっている各回転部に関し、あらかじめ回転可能角度領域および回転規制角度領域を相対的に設定しておく記憶手段と、
検出された各回転角度情報を、あらかじめ設定した回転可能角度領域および回転規制角度領域と対比して、当該対比結果に基づき検出対象となっている各回転部の回転動作を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする。

さらに、本発明に係る４軸ゴニオメータは、Ｘ線検出器を搭載するカウンタアームを２θ軸周りに回転させるとともに、２θ軸と同軸上のω軸周りに回転するω回転台と、ω軸に斜め下方から交叉するκ軸周りにω回転台上で回転するκ回転台と、２θ軸と同軸上のφ軸周りにκ回転台上で回転する試料台と、を備えた４軸ゴニオメータであって、
ω回転台のω軸周りの回転角度を検出するω回転角度検出手段と、
κ回転台のκ軸周りの回転角度を検出するκ回転角度検出手段と、
ω回転台のω軸周りの回転角度、およびκ回転台のκ軸周りの回転角度に関し、あらかじめ回転可能角度領域および回転規制角度領域を相対的に設定しておく記憶手段と、
ω回転角度検出手段およびκ回転角度検出手段により検出された各回転角度情報を、あらかじめ設定した回転可能角度領域および回転規制角度領域と対比して、当該対比結果に基づきω回転台およびκ回転台の回転動作を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする。

上述した構成の本発明によれば、センサやリミットスイッチなどのリミッタを障害物の周囲に設置する必要がなくなるので、広い角度範囲にわたる回転部の回転動作が可能となる。しかも、障害物との干渉を精細に検出することが可能となる。

ここで、回転角度検出手段（例えば、ω回転角度検出手段、κ回転角度検出手段）は、それぞれアブソリュート型ロータリーエンコーダで構成することが好ましい。これにより、電源投入時に駆動モータを初期化（零点調節）する必要がなくなる。

以上説明したように、本発明によれば、障害物との干渉を高精度に検出することができ、しかも各回転部の動作範囲を広げかつ自由度の高い回転動作を実現することができる。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の実施形態に係るＸ線回折装置の全体構造を示す正面図である。
同図に示すＸ線回折装置は、４軸ゴニオメータ１０と、Ｘ線検出器２０と、Ｘ線源３０とを備えている。４軸ゴニオメータ１０は、基台１１上にカウンタアーム１２とω回転台１３とを搭載しており、さらにω回転台１３にκ回転台１４を搭載するとともに、κ回転台１４には試料台１５を搭載した構成となっている。

カウンタアーム１２は、２θ軸周りに回転自在となっており、このカウンタアーム１２にＸ線検出器２０が搭載されている、Ｘ線検出器２０としては、例えば、位置敏感型比例計数管（ＰＳＰＣ）等の一次元検出器のほか、イメージングプレート（ＩＰ）やＣＣＤ等の二次元検出器も適用することができる。
ω回転台１３は、２θ軸と同軸上のω軸周りに回転自在であり、κ回転台１４は、ω軸に斜め下方から交叉するκ軸周りに回転自在である。さらに、試料台１５は、２θ軸と同軸上のφ軸周りに回転自在である。これら、カウンタアーム１２、ω回転台１３、κ回転台１４、試料台１５は、それぞれステッピングモータやサーボモータ等の駆動モータ（図１には示さず）によって回転駆動される。

試料台１５には、試料ホルダ１６（試料保持手段）が着脱自在となっている。試料ホルダ１６に保持された試料Ｓは、ω軸とκ軸との交点に配置される。Ｘ線源３０から放出されるＸ線は、コリメータ１７を通して試料Ｓに照射される。
４軸ゴニオメータ１０は、試料台１５をφ軸周りに回転させるとともに、κ回転台１４をκ軸周りに回転させ、さらにω回転台１３をω軸周りに回転させることで、試料Ｓの格子面を任意の方向に向けることができ、これにより試料Ｓの格子面に対して様々な角度からＸ線を照射させることができる。試料Ｓから反射又は透過してきた回折Ｘ線は、カウンタアーム１２に搭載されたＸ線検出器２０によりその強度が検出される。
このような構成の４軸ゴニオメータ１０は、κ(kappa)ゴニオメータと称され、従来から知られている（例えば、ＵＳＰ３，６３６，３４７号公報参照）。

図２は本実施形態に係る４軸ゴニオメータに特有の構成を示す図である。
本実施形態に係る４軸ゴニオメータ１０は、ω回転台１３を回転駆動する駆動モータ４０に、ω回転角度検出手段としてのロータリーエンコーダ４１を付設してあり、またκ回転台１４を回転駆動する駆動モータ４２にも、κ回転角度検出手段としてのロータリーエンコーダ４３を付設してある。
ロータリーエンコーダ４１は、ω回転台１３の回転角度位置を検出し、その回転角度情報を出力する。また、ロータリーエンコーダ４３は、κ回転台１４の回転角度位置を検出し、その回転角度情報を出力する。

これらのロータリーエンコーダ４１，４３には、多回転式のアブソリュート型ロータリーエンコーダが用いられている。アブソリュート型ロータリーエンコーダは、回転角度を絶対値として検出する機能を有しており、このため電源を切っても現在の回転角度情報を保持している。このアブソリュート型ロータリーエンコーダを採用することで、電源投入時に駆動モータを初期化（零点調節）する必要がなくなる。

さらに、本実施形態の４軸ゴニオメータ１０は、記憶部４５（記憶手段）と制御部４６（制御手段）とを含む制御ユニット４７を備えている（図２参照）。記憶部４５は、ハードディスクやメモリ等の記憶媒体で構成することができる。この記憶部４５には、ω回転台１３のω軸周りの回転角度、およびκ回転台１４のκ軸周りの回転角度に関する相対的な回転可能角度領域および回転規制角度領域が設定されている。このうち回転規制角度領域は、周囲に存在するコリメータ１７やＸ線検出器２０等の障害物あるいはＸ線源３０からのＸ線とκ回転台１４やω回転台１３が干渉し、又は干渉するおそれのある角度領域である。これら回転可能角度領域および回転規制角度領域は、あらかじめ演算又は実験により求めておく。

図３は記憶部に設定されるω回転台およびκ回転台の各回転角度に関する相対的な回転可能角度領域および回転規制角度領域の一例を示す図である。なお、同図に示す回転可能角度領域および回転規制角度領域はあくまで例示であり、実際にはκ回転台１４およびω回転台１３の回転可能領域に存在する障害物等の位置を考慮して個別具体的に設定される。
図３では、ω回転台１３のω軸周りの回転角度を横軸に、κ回転台１４のκ軸周りの回転角度を縦軸にとり、各回転台１３，１４の回転可能角度領域Ａと回転規制角度領域Ｂとをマトリクスにて表示してある。すなわち、同図にハッチング表示された領域が回転規制角度領域Ｂであり、それ以外の領域が回転可能角度領域Ａである。

図４は制御部の動作を示すフローチャートである。
制御部４６は、ロータリーエンコーダ４１から出力されたω回転台１３の回転角度情報、およびロータリーエンコーダ４３から出力されたκ回転台１４の回転角度情報をそれぞれ入力する（ステップＳ１）。そして、これら各回転角度情報を、記憶部４５に設定してある回転可能角度領域Ａおよび回転規制角度領域Ｂのマトリクスと対比する（ステップＳ２）。
対比の結果、各回転台１３，１４が回転可能角度領域Ａに位置すると判断したときは（ステップＳ３）、そのまま各回転台１３，１４の回転移動を許容する（ステップＳ４）。一方、各回転台１３，１４が回転規制角度領域Ｂに入る直前と判断したときは（ステップＳ３）、その進入状況に応じて、各回転台１３，１４が回転規制角度領域Ｂを効率的に回避できる動作パターンを演算し（ステップＳ４）、その演算結果に基づき各回転台１３，１４の動作を制御する（ステップＳ５）。この演算プログラムは、記憶部４５にあらかじめ記憶してある。

なお、安全率を見込み、ω回転台１３又はκ回転台１４が障害物と干渉する手前の角度領域までを回転規制角度領域Ｂに含めて設定した場合は、各回転台１３，１４が回転規制角度領域Ｂに入った直後に、各回転台１３，１４が回避動作をするよう制御してもよい。
また、ω回転台１３およびκ回転台１４が回転可能角度領域Ａから回転規制角度領域Ｂへ入ろうとする状況に応じた各種制御パターンをあらかじめ記憶部４５に設定しておき、この制御パターンを参照して制御部４６が各回転台１３，１４を制御する構成とすることもできる。

本実施形態に係る４軸ゴニオメータ１０は、次のごとき作用効果を奏する。
各ロータリーエンコーダ４１，４３から出力された各回転台１３，１４の回転角度情報を、記憶部４５に設定してある回転可能角度領域Ａおよび回転規制角度領域Ｂのマトリクスと対比することで、制御部４６が障害物に対する各回転台１３，１４の干渉を認識することができるので、各回転台１３，１４の回転可能角度領域Ａを狭める要因となるリミットスイッチの設置が不要となる。

また、各回転台１３，１４と障害物との間の干渉を、リミットスイッチよりも細やかに検出できるので、各回転台１３，１４の障害物に対する回避動作を高精度に制御することが可能となる。例えば、障害物に対し、正逆両方向の回転に伴う各回転台１３，１４の干渉を検出することが可能となる。

さらに、アブソリュート型ロータリーエンコーダとして、多回転式のものを採用すれば、３６０°以上の回転角度にわたる精細な障害物との干渉を検出することができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。
例えば、図１に示した４軸ゴニオメータ１０のカウンタアーム１２の回転角度についてもロータリーエンコーダ等の回転角度検出手段で検出することができる。この場合、ω回転台１３およびκ回転台１４のみならずカウンタアーム１２の回転角度をも加味して、回転可能角度領域Ａおよび回転規制角度領域Ｂを設定し、この設定と各回転角度検出手段からの回転角度情報との対比をもって、ω回転台１３、κ回転台１４およびカウンタアーム１２の回転動作を制御するように制御部４６を構成することもできる。
また、本発明は、κゴニオメータ以外の４軸ゴニオメータ１０や、４軸以外のゴニオメータにも適用可能であることは勿論である。

本発明の実施形態に係るＸ線回折装置の全体構造を示す正面図である。 本発明の実施形態に係る４軸ゴニオメータに特有の構成を示す図である。 記憶部に設定されるω回転台およびκ回転台の回転角度に関する相対的な回転可能角度領域および回転規制角度領域の一例を示す図である。 制御部の動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１０：４軸ゴニオメータ、１１：基台、１２：カウンタアーム、１３：ω回転台、１４：κ回転台、１５：試料台、１６：試料ホルダ、１７：コリメータ、２０：Ｘ線検出器、３０：Ｘ線源、４０，４２：駆動モータ、４１，４３：ロータリーエンコーダ、４５：記憶部、４６：制御部、４７：制御ユニット
Ａ：回転可能角度領域、Ｂ：回転規制角度領域

Claims (5)

1. 複数の回転部を有するゴニオメータの制御方法であって、
   前記回転部の少なくとも二つの回転角度をそれぞれアブソリュート型ロータリーエンコーダによって検出するとともに、
   前記検出対象となっている各回転部に関し、あらかじめ回転可能角度領域および回転規制角度領域を相対的に設定しておき、
   前記検出された各回転角度情報を、前記あらかじめ設定した回転可能角度領域および回転規制角度領域と対比して、当該対比結果に基づき前記検出対象となっている各回転部の回転動作を制御することを特徴とするゴニオメータの制御方法。
2. 複数の回転部を有するゴニオメータであって、
   前記回転部の少なくとも二つの回転角度をそれぞれ検出する回転角度検出手段と、
   前記検出対象となっている各回転部に関し、あらかじめ回転可能角度領域および回転規制角度領域を相対的に設定しておく記憶手段と、
   前記検出された各回転角度情報を、前記あらかじめ設定した回転可能角度領域および回転規制角度領域と対比して、当該対比結果に基づき前記検出対象となっている各回転部の回転動作を制御する制御手段と、を備え、
   前記回転角度検出手段を、アブソリュート型ロータリーエンコーダで構成したことを特徴とするゴニオメータ。
3. 請求項２に記載されたゴニオメータと、当該ゴニオメータに搭載される試料保持手段と、この試料保持手段に保持された試料に対しＸ線を照射するＸ線源と、試料からの回折Ｘ線を検出するＸ線検出器とを備えたＸ線回折装置。
4. Ｘ線検出器を搭載するカウンタアームを２θ軸周りに回転させるとともに、前記２θ軸と同軸上のω軸周りに回転するω回転台と、前記ω軸に斜め下方から交叉するκ軸周りに前記ω回転台上で回転するκ回転台と、前記２θ軸と同軸上のφ軸周りに前記κ回転台上で回転する試料台と、を備えた４軸ゴニオメータであって、
   前記ω回転台の前記ω軸周りの回転角度を検出するω回転角度検出手段と、
   前記κ回転台の前記κ軸周りの回転角度を検出するκ回転角度検出手段と、
   前記ω回転台の前記ω軸周りの回転角度、および前記κ回転台の前記κ軸周りの回転角度に関し、あらかじめ回転可能角度領域および回転規制角度領域を相対的に設定しておく記憶手段と、
   前記ω回転角度検出手段およびκ回転角度検出手段により検出された各回転角度情報を、前記あらかじめ設定した回転可能角度領域および回転規制角度領域と対比して、当該対比結果に基づき前記ω回転台およびκ回転台の回転動作を制御する制御手段と、を備え、
   前記ω回転角度検出手段およびκ回転角度検出手段を、それぞれアブソリュート型ロータリーエンコーダで構成したことを特徴とする４軸ゴニオメータ。
5. 請求項４に記載された４軸ゴニオメータと、前記カウンタアームに搭載されるＸ線検出器と、前記試料台に保持された試料に対しＸ線を照射するＸ線源と、を備えたＸ線回折装置。

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