PyMeasure を使って実験装置を自動制御する方法

現代の研究室では、精度・スピード・再現性 が求められます。I-Vスイープ、温度制御、光学測定など、実験を自動化できると大きな効率向上が見込めます。

PyMeasure は、Python で装置制御とデータ取得を簡単に行えるオープンソースライブラリです。この投稿では PyMeasure を使った自動測定の始め方をご紹介します。

🧪 PyMeasure とは？

PyMeasure は、GPIB、USB、シリアルなどのインターフェースを通じて実験装置を制御できる Python ライブラリです。

主な特徴：

実験手順 (Procedure) の自動化
リアルタイムでのデータ記録と可視化
GUI（グラフィカルユーザーインターフェース）の構築
Keithley、Tektronix、Keysight などの装置に対応

⚙️ ステップ 1: インストール

以下のいずれかの方法で PyMeasure をインストールできます：

# 推奨：conda 経由でインストール
conda install -c conda-forge pymeasure

# または pip 経由
pip install pymeasure

GPIB/USB 接続のためには NI-VISA または pyvisa-py バックエンドが必要です。

🔌 ステップ 2: 装置に接続

例として Keithley 2400 ソースメーターに接続してみましょう：

from pymeasure.instruments.keithley import Keithley2400

smu = Keithley2400("GPIB::24")
smu.apply_current(0.001, compliance_voltage=10)
print(f"Measured voltage: {smu.voltage} V")

このように、通常の Python オブジェクトのように装置を操作できます。

📈 ステップ 3: 自動測定スクリプトの実行

簡単な I‑V スイープ（電流－電圧の関係）を実行します：

import numpy as np

currents = np.linspace(-1e-3, 1e-3, 50)
voltages = []

for i in currents:
    smu.source_current = i
    voltages.append(smu.voltage)
    print(f"I: {i:.6f} A, V: {voltages[-1]:.6f} V")

結果を CSV に保存して後で分析することもできます。

🧪 ステップ 4: `Procedure` クラスで手順を定義

from pymeasure.experiment import Procedure, IntegerParameter, FloatParameter

class IVSweepProcedure(Procedure):
    start = FloatParameter("開始電流", units="A", default=-1e-3)
    stop = FloatParameter("終了電流", units="A", default=1e-3)
    steps = IntegerParameter("ステップ数", default=50)

    def startup(self):
        self.instrument = Keithley2400("GPIB::24")

    def execute(self):
        for i in np.linspace(self.start, self.stop, self.steps):
            self.instrument.source_current = i
            voltage = self.instrument.voltage
            self.emit('results', {'current': i, 'voltage': voltage})

このクラスを使えば、再現性のある実験フローを自動実行できます。

🖥️ ステップ 5: GUI を追加する（オプション）

from pymeasure.display.windows import ManagedWindow

class IVApp(ManagedWindow):
    def __init__(self):
        super().__init__(
            procedure_class=IVSweepProcedure,
            inputs=["start", "stop", "steps"],
            displays=["current", "voltage"],
            x_axis="current", y_axis="voltage"
        )
        self.setWindowTitle("I-V 測定アプリ")

if __name__ == "__main__":
    app = IVApp()
    app.show()

GUI で操作すれば、技術者以外でも使いやすくなります。