JP7729593B2 - Pressurizing device, and microscopic Raman scattering measurement device, X-ray diffraction device, and optical microscope device using the same - Google Patents
Pressurizing device, and microscopic Raman scattering measurement device, X-ray diffraction device, and optical microscope device using the sameInfo
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Description
本発明は、加圧装置およびそれを用いた測定装置に関し、詳細には、ダイヤモンドアンビルセルを用いた超高圧加圧装置に関する。 The present invention relates to a pressure device and a measurement device using the same, and more specifically to an ultra-high pressure pressure device using a diamond anvil cell.
ダイヤモンドアンビルセル(DAC)の加圧は依然として多くの場合、バネの力を使った手動によるねじ込み操作によりをおこなわれおり、X線回折・ラマン散乱測定等で格子の圧縮率をはじめとする結晶構造に関するデータの収集をおこなう際、都度加圧と位置調整を必要とするため、データ精度が失われる原因となっている。 In many cases, pressure is still applied to diamond anvil cells (DACs) by manually screwing them in using spring force, which requires pressure and position adjustment each time data is collected on crystal structure, including lattice compressibility, in X-ray diffraction and Raman scattering measurements, resulting in a loss of data accuracy.
また、100万気圧を超える圧力発生領域は、その発生原理の必然から極小部分に限られるため、精緻な技量が必要とされ、さらに、その最高到達目標圧力が高くなればなるほど、圧力-荷重曲線が急峻となることにより圧力制御が困難となっている。そこで、いくつかの自動加圧による連続加圧が試みられてきた(例えば、非特許文献1~3を参照)。 Furthermore, the pressure generating range exceeding 1,000,000 atmospheres is limited to an extremely small area due to the nature of the generating principle, requiring precise skill. Furthermore, the higher the maximum target pressure, the steeper the pressure-load curve becomes, making pressure control more difficult. Therefore, several attempts have been made to achieve continuous pressure using automatic pressure generation (see, for example, non-patent documents 1-3).
例えば、非特許文献1は、てこの原理を利用したレバー式DACにパルスモータをとりつけ加圧する方法を開示する。非特許文献2は、ヘリウムガス等の高圧ガスを使用するガス圧メンブレンによるDAC加圧方法を開示する。最近では、非特許文献3は、ピエゾアクチュエータを利用する加圧方法を開示する。 For example, Non-Patent Document 1 discloses a method of applying pressure by attaching a pulse motor to a lever-type DAC that utilizes the principle of leverage. Non-Patent Document 2 discloses a method of applying pressure to a DAC using a gas pressure membrane that uses high-pressure gas such as helium gas. More recently, Non-Patent Document 3 discloses a pressure method that uses a piezoelectric actuator.
従来のバネの力やねじによる加圧は、都度加圧が必要となり、加圧の連続性に欠け、データの稠密性に影響する。非特許文献2によるガス圧メンブレンを利用した加圧は、高圧ガスの使用が不可欠であり。アンビルの破損時にメンブレンが不可逆的に損傷するので、再利用が困難である。ガス圧制御によるメンブレンの膨張には遅れがあり、圧力の追従性に限界がある。 Conventional methods using spring force or screws require pressure to be applied each time, lacking continuity of pressure and affecting data density. Pressurization using a gas pressure membrane, as described in Non-Patent Document 2, requires the use of high-pressure gas. The membrane is irreversibly damaged when the anvil breaks, making it difficult to reuse. There is a delay in the expansion of the membrane due to gas pressure control, and there are limits to its ability to follow pressure.
非特許文献1のようなパルスモータ等による機械的加圧方式は、X線窓を確保することが困難であるため、てこの原理による間接加圧を必要とし、パルス制御にも限界がある。また、非特許文献3のようなピエゾアクチュエータのみの加圧では、ストロークに限度があり、加圧開始点が把握できないと効率的加圧に支障が生じる。一般的なピエゾアクチュエータはX線を透過する穴がないため、高圧下でX線回折実験をおこなうことが難しい。 Mechanical pressure methods using pulse motors, etc., as in Non-Patent Document 1, make it difficult to secure an X-ray window, so indirect pressure based on the principle of leverage is required, and pulse control is also limited. Furthermore, pressure applied solely using a piezoelectric actuator, as in Non-Patent Document 3, has a limited stroke, and efficient pressure application is hindered unless the pressure application start point is known. Because typical piezoelectric actuators do not have holes that allow X-rays to pass through, it is difficult to conduct X-ray diffraction experiments under high pressure.
以上から、本発明の課題は、超高圧まで連続加圧を可能とする加圧装置およびそれを用いた測定装置を提供することである。 Based on the above, the objective of the present invention is to provide a pressure device that enables continuous pressure application up to ultra-high pressures, and a measurement device using the same.
本発明による試料に圧力を印加する加圧装置は、例えば図1、図2に示すように、試料Sを挟持するダイヤモンドアンビルセル110と、ダイヤモンドアンビルセル110に機械的に圧力を印加する押圧機構120と、ダイヤモンドアンビルセル110に電気信号による圧力を印加するアクチュエータ130と、アクチュエータ130がダイヤモンドアンビルセル110に印加する圧力を検知する圧力センサ140とを備え、これにより上記課題を解決する。
前記押圧機構は、ステッピングモータ、油圧ピストン装置およびガス圧メンブレン装置からなる群から選択されてもよい。
前記アクチュエータは、積層型ピエゾアクチュエータであってもよい。
前記アクチュエータは、中空であってもよい。
前記アクチュエータのストロークは、50μm以上200μm以下の範囲であってもよい。
前記圧力センサは、水晶圧電式センサであってもよい。
前記押圧機構、前記アクチュエータおよび前記圧力センサの動作を制御する制御機構を備えてもよい。
前記制御機構は、例えば図4に示すように、(A)前記押圧機構が前記ダイヤモンドアンビルセルに圧力を印加し、(B)前記押圧機構が前記ダイヤモンドアンビルセルに圧力を印加した状態で、前記圧力センサが前記アクチュエータによる圧力値を測定し、前記アクチュエータが圧力開始点となるよう調整し、(C)前記押圧機構が前記ダイヤモンドアンビルセルに圧力を印加した状態で、前記圧力開始点に調整された前記アクチュエータが前記ダイヤモンドアンビルセルに連続的に圧力を印加するように、前記押圧機構、前記アクチュエータおよび前記圧力センサの動作を制御してもよい。
前記制御機構は、例えば図4に示すように、(D)前記アクチュエータが前記ダイヤモンドアンビルセルに圧力を印加した状態で、前記押圧機構が前記ダイヤモンドアンビルセルにさらなる圧力を印加し、(E)前記押圧機構が前記ダイヤモンドアンビルセルにさらなる圧力を印加した状態で、前記圧力センサが前記アクチュエータによる圧力値を測定し、前記アクチュエータが圧力開始点となるよう調整し、(F)前記押圧機構が前記ダイヤモンドアンビルセルにさらなる圧力が印加した状態で、前記圧力開始点に調整された前記アクチュエータが前記ダイヤモンドアンビルセルに圧力を印加するように、前記押圧機構、前記アクチュエータおよび前記圧力センサの動作を制御してもよい。
前記制御機構は、前記動作(D)、前記動作(E)および前記動作(F)を繰り返すように前記押圧機構、前記アクチュエータおよび前記圧力センサの動作を制御してもよい。
前記制御機構は、前記アクチュエータに電圧を印加するアクチュエータ駆動回路と、前記圧力センサの圧力を変換し、測定する変換測定部と、前記押圧機構に駆動電流を送るモータ駆動回路と、前記アクチュエータ駆動回路、前記変換測定部および前記モータ駆動回路を制御する中央演算処理部とを備えてもよい。
前記アクチュエータ駆動回路に接続されたファンクションジェネレータをさらに備えてもよい。
前記モータ駆動回路に接続されたコントローラをさらに備えてもよい。
前記ダイヤモンドアンビルセルと前記アクチュエータとの間に軸受をさらに備えてもよい。
本発明による顕微ラマン散乱測定装置は、上述の加圧装置を備え、これにより上記課題を解決する。
本発明によるX線回折装置は、上述の加圧装置を備え、これにより上記課題を解決する。
本発明による光学顕微鏡装置は、上述の加圧装置を備え、これにより上記課題を解決する。
本発明による試料に圧力を印加する加圧装置において、例えば図1に示すように、好ましくは、押圧機構120は、ステッピングモータ121により駆動される回転テーブル125を有すると共に、回転テーブル125は、アクチュエータ130が貫通する中空部を有し、押圧機構120は、回転テーブル125の中空部125aを貫通したアクチュエータ130の端部を収容する凹状収容室127を備えるとよい。このように構成すると、アクチュエータ130が押圧機構に設けられる凹状収容室に収容されることが可能となり、ダイヤモンドアンビルセルの取り付け位置が低くてすむため、例えば、顕微ラマン散乱測定装置、X線回折装置、光学顕微鏡装置との組み合わせが容易になる。
The pressure applying device for applying pressure to a sample according to the present invention, as shown in Figures 1 and 2, comprises a diamond anvil cell 110 for clamping the sample S, a pressing mechanism 120 for mechanically applying pressure to the diamond anvil cell 110, an actuator 130 for applying pressure to the diamond anvil cell 110 using an electrical signal, and a pressure sensor 140 for detecting the pressure applied by the actuator 130 to the diamond anvil cell 110, thereby solving the above-mentioned problems.
The pressing mechanism may be selected from the group consisting of a stepper motor, a hydraulic piston device, and a gas pressure membrane device.
The actuator may be a stacked piezoelectric actuator.
The actuator may be hollow.
The stroke of the actuator may be in the range of 50 μm to 200 μm.
The pressure sensor may be a piezoelectric quartz sensor.
The pressure sensor may further include a control mechanism for controlling operations of the pressing mechanism, the actuator, and the pressure sensor.
The control mechanism may control the operation of the pressing mechanism, the actuator, and the pressure sensor so that, for example, as shown in Figure 4, (A) the pressing mechanism applies pressure to the diamond anvil cell, (B) while the pressing mechanism is applying pressure to the diamond anvil cell, the pressure sensor measures the pressure value applied by the actuator and adjusts the actuator to be at the pressure starting point, and (C) while the pressing mechanism is applying pressure to the diamond anvil cell, the actuator adjusted to the pressure starting point continuously applies pressure to the diamond anvil cell.
The control mechanism may control the operation of the pressing mechanism, the actuator, and the pressure sensor so that, for example, as shown in Figure 4, (D) when the actuator is applying pressure to the diamond anvil cell, the pressing mechanism applies further pressure to the diamond anvil cell, (E) when the pressing mechanism is applying further pressure to the diamond anvil cell, the pressure sensor measures the pressure value applied by the actuator and adjusts the actuator to be at the pressure starting point, and (F) when the pressing mechanism is applying further pressure to the diamond anvil cell, the actuator adjusted to the pressure starting point applies pressure to the diamond anvil cell.
The control mechanism may control the operations of the pressing mechanism, the actuator, and the pressure sensor so as to repeat the operations (D), (E), and (F).
The control mechanism may include an actuator drive circuit that applies a voltage to the actuator, a conversion measurement unit that converts and measures the pressure of the pressure sensor, a motor drive circuit that sends a drive current to the pressing mechanism, and a central processing unit that controls the actuator drive circuit, the conversion measurement unit, and the motor drive circuit.
The device may further include a function generator connected to the actuator drive circuit.
The device may further include a controller connected to the motor drive circuit.
A bearing may further be provided between the diamond anvil cell and the actuator.
The microscopic Raman scattering measurement apparatus according to the present invention includes the above-described pressure device, thereby solving the above-described problems.
The X-ray diffraction apparatus according to the present invention includes the above-mentioned pressure device, thereby solving the above-mentioned problems.
The optical microscope apparatus according to the present invention includes the above-described pressure device, thereby solving the above-described problems.
1, in the pressure device for applying pressure to a sample according to the present invention, preferably, a pressing mechanism 120 has a rotary table 125 driven by a stepping motor 121, the rotary table 125 has a hollow portion through which an actuator 130 passes, and the pressing mechanism 120 has a recessed storage chamber 127 for accommodating the end of the actuator 130 that passes through the hollow portion 125a of the rotary table 125. With this configuration, the actuator 130 can be accommodated in the recessed storage chamber provided in the pressing mechanism, and the diamond anvil cell can be attached at a lower position, facilitating combination with, for example, a microscopic Raman scattering measurement device, an X-ray diffraction device, or an optical microscope device.
本発明の加圧装置は、アクチュエータを備えるため、連続的にダイヤモンドアンビルセルの試料に加圧することができる。さらに、機械的に圧力を印加する押圧機構を備えるため、アクチュエータによる連続的加圧と、押圧機構による段階的な大きな加圧とを併用することにより、ストロークを長く保つことが可能となり、超高圧までの連続加圧を可能にする。特に、圧力センサを備えるため、アクチュエータがダイヤモンドアンビルセルに印加する圧力を検知し、アクチュエータの加圧開始点の特定を可能にする。その結果、ダイヤモンドアンビルセルの破壊を防ぎながら、350GPaといった超高圧までの連続加圧を可能にする。本発明の加圧装置をX線回折装置や顕微ラマン散乱装置に搭載すれば、高圧下においても、高精度な測定データを提供できる。 The pressure device of the present invention is equipped with an actuator, allowing continuous pressure application to the sample in the diamond anvil cell. Furthermore, because it is equipped with a pressing mechanism that mechanically applies pressure, it is possible to maintain a long stroke by combining continuous pressure application by the actuator with stepwise large pressure application by the pressing mechanism, making it possible to apply continuous pressure up to ultra-high pressures. In particular, because it is equipped with a pressure sensor, it detects the pressure applied by the actuator to the diamond anvil cell and makes it possible to identify the actuator's pressure start point. As a result, continuous pressure application up to ultra-high pressures such as 350 GPa is possible while preventing damage to the diamond anvil cell. If the pressure device of the present invention is installed in an X-ray diffraction instrument or a micro-Raman scattering instrument, it can provide highly accurate measurement data even under high pressures.
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。なお、同様の要素には同様の番号を付し、その説明を省略する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Note that like elements are numbered likewise and their description will be omitted.
本発明の加圧装置について説明する。
図1は、本発明の加圧装置を示す模式図で、一部を断面図で表している。
図2は、ダイヤモンドアンビルを示す模式図である。
The pressure device of the present invention will now be described.
FIG. 1 is a schematic diagram showing a pressurizing device of the present invention, with a portion thereof shown in cross section.
FIG. 2 is a schematic diagram showing a diamond anvil.
本発明の加圧装置100は、試料Sを挟持するダイヤモンドアンビルセル110と、ダイヤモンドアンビルセル110に機械的に圧力を印加する押圧機構120と、ダイヤモンドアンビルセル110に電気信号による圧力を印加するアクチュエータ130と、アクチュエータ130がダイヤモンドアンビルセル110に印加する圧力を検知する圧力センサ140とを備える。本発明の加圧装置100は、機械的な押圧機構120とアクチュエータ130との併用により、連続的に350GPaといった超高圧まで試料に圧力を印加できる。 The pressure device 100 of the present invention comprises a diamond anvil cell 110 that holds the sample S, a pressing mechanism 120 that mechanically applies pressure to the diamond anvil cell 110, an actuator 130 that applies pressure to the diamond anvil cell 110 using an electrical signal, and a pressure sensor 140 that detects the pressure applied by the actuator 130 to the diamond anvil cell 110. By using the mechanical pressing mechanism 120 and the actuator 130 in combination, the pressure device 100 of the present invention can continuously apply pressure to the sample up to ultra-high pressures such as 350 GPa.
図2に、ダイヤモンドアンビルセル110内のダイヤモンドアンビル210を拡大して示す。一対のダイヤモンドアンビル210は、ガスケット220を介して試料Sを挟持するようになっている。ダイヤモンドアンビル210の最先端は平坦となっており、その面積が小さいほど、試料Sにかかる荷重は大きくなる。試料Sは、塩化ナトリウム(NaCl)などの圧力媒体物質とともに保持されてよい。一対のダイヤモンドアンビル210は、下台座および上台座で挟持され、治具に装着される。 Figure 2 shows an enlarged view of the diamond anvil 210 inside the diamond anvil cell 110. The pair of diamond anvils 210 clamp the sample S via a gasket 220. The tip of the diamond anvil 210 is flat, and the smaller the area, the greater the load applied to the sample S. The sample S may be held together with a pressure medium substance such as sodium chloride (NaCl). The pair of diamond anvils 210 are clamped between a lower pedestal and an upper pedestal and attached to a jig.
ダイヤモンドアンビル210は、220nmからテラヘルツ、ミリ波、さらにはマイクロ波までの非常に広い波長帯の光を透過することから、例えば、ダイヤモンドアンビル210の上部より赤外線レーザを照射し、高圧状態の試料Sを加熱することが可能である。また、ダイヤモンドアンビル210の下部よりX線を入射すれば、高圧状態の試料SについてX線回折パターンを測定できる。あるいは、ダイヤモンドアンビル210の上部より単色光を入射し、高圧状態の試料Sのラマン散乱スペクトルを測定できる。 The diamond anvil 210 transmits light in an extremely wide wavelength range, from 220 nm to terahertz, millimeter waves, and even microwaves. Therefore, for example, it is possible to heat the sample S under high pressure by irradiating it with an infrared laser from above the diamond anvil 210. Furthermore, by irradiating X-rays from below the diamond anvil 210, it is possible to measure the X-ray diffraction pattern of the sample S under high pressure. Alternatively, it is possible to irradiate monochromatic light from above the diamond anvil 210 and measure the Raman scattering spectrum of the sample S under high pressure.
押圧機構120は、機械的にダイヤモンドアンビルセル110に圧力を印加するが、本明細書において、機械的に圧力を印加するとは、ダイヤモンドアンビルセル110に、てこの原理、バネの力、ねじの力などによる加圧であり、段階的に加圧をするものを意図する。 The pressing mechanism 120 mechanically applies pressure to the diamond anvil cell 110. In this specification, "mechanically applying pressure" refers to applying pressure to the diamond anvil cell 110 in stages using the principle of leverage, spring force, screw force, etc.
押圧機構120としての回転テーブル用筐体120には、ステッピングモータ121、手動ダイヤル122、筒状収容室周壁123、筒状収容室底板124、凹状収容室127、押しピン128が収容されている。回転テーブル用筐体120の上面には、回転テーブル125とシェル係合部126が露出している。押しピン挿入穴129は、押しピン128を挿入するために、筒状収容室底板124の底板に沿って設けられている。 The rotary table housing 120, which serves as the pressing mechanism 120, houses a stepping motor 121, a manual dial 122, a cylindrical storage chamber peripheral wall 123, a cylindrical storage chamber bottom plate 124, a recessed storage chamber 127, and a push pin 128. The rotary table 125 and shell engagement portion 126 are exposed on the top surface of the rotary table housing 120. A push pin insertion hole 129 is provided along the bottom plate of the cylindrical storage chamber bottom plate 124 for inserting the push pin 128.
手動ダイヤル122は、ステッピングモータ121に代わり、回転テーブル125の回転を操作する場合に用いる。筒状収容室周壁123と筒状収容室底板124は、凹状収容室127囲う筒状の収容室の隔壁を形成するもので、圧力センサ140と、アクチュエータ130の圧力センサ140側の端部が収容されている。筒状収容室周壁123と筒状収容室底板124は、ここでは、回転テーブル用筐体120の一部としても用いられる構造となっている。押しピン128は押しピン挿入穴129から装着されて、下蓋部134を押圧する構造となっている。押しピン128により、回転テーブル用筐体120とシリンダチューブ131が、下蓋部134、筒状連結部132、ネジ部133を、介して一体的に保持される。
回転テーブル125は中央部125aが中空で、シリンダチューブ131が貫通する中空部内径を有している。シェル係合部126は、一端が回転テーブル125に取り付けられ、他端がシリンダチューブ131の係合面に取り付けられている。シリンダチューブ131の係合面は、例えばシリンダチューブ131の周面に形成された平坦面で、例えば周面に4か所設けられている。シェル係合部126は、シリンダチューブ131の係合面に係止しやすいように、例えばVノッチ型の溝を形成したV字ブロックを2個組み合わせたものでもよい。V字ブロックのVノッチ型の溝の面が、シリンダチューブ131の係合面に当接した状態で、取り付けられる。
The manual dial 122 is used in place of the stepping motor 121 to operate the rotation of the turntable 125. The cylindrical housing chamber peripheral wall 123 and the cylindrical housing chamber bottom plate 124 form a partition of the cylindrical housing chamber surrounding the recessed housing chamber 127, and accommodate a pressure sensor 140 and the end of the actuator 130 facing the pressure sensor 140. The cylindrical housing chamber peripheral wall 123 and the cylindrical housing chamber bottom plate 124 are structured to also be used as part of the turntable housing 120. A push pin 128 is inserted through a push pin insertion hole 129 and presses against the lower cover 134. The push pin 128 holds the turntable housing 120 and the cylinder tube 131 together via the lower cover 134, the cylindrical connecting portion 132, and the threaded portion 133.
The rotary table 125 has a hollow central portion 125a, which has an inner diameter that allows the cylinder tube 131 to pass through. One end of the shell engaging portion 126 is attached to the rotary table 125, and the other end is attached to the engaging surface of the cylinder tube 131. The engaging surface of the cylinder tube 131 is, for example, a flat surface formed on the circumferential surface of the cylinder tube 131, and is provided in, for example, four locations on the circumferential surface. The shell engaging portion 126 may be, for example, a combination of two V-shaped blocks each having a V-notch groove formed therein, so that it can easily engage with the engaging surface of the cylinder tube 131. The V-shaped blocks are attached with the V-notch groove surface abutting against the engaging surface of the cylinder tube 131.
ステッピングモータ121の回転運動は、移動ガイドとしての、例えばクロスローラベアリング(図示せず)によって、回転テーブル125の回転運動に変換される。回転テーブル125とシリンダチューブ131の係合状態は、回転テーブル125の回転運動が、シェル係合部126を介して、シリンダチューブ131の伸縮に変換されるように構成されている。 The rotational motion of the stepping motor 121 is converted into the rotational motion of the rotary table 125 by a movement guide, such as a cross roller bearing (not shown). The engagement between the rotary table 125 and the cylinder tube 131 is configured so that the rotational motion of the rotary table 125 is converted into the extension and contraction of the cylinder tube 131 via the shell engagement portion 126.
この結果、ステッピングモータ121の回転運動は、モータの軸が一定の角度ずつ回転することにより、モータの回転角に連動して、回転テーブル125を介して、シリンダチューブ131が伸縮して、ダイヤモンドアンビルセル110を機械的に押圧もしくは減圧する。ステッピングモータ付きの回転テーブルを用いると、角度の設定により精度よく段階的に加圧ができる点が好ましい。 As a result, the rotational motion of the stepping motor 121 rotates the motor shaft by a fixed angle at a time, and the cylinder tube 131 expands and contracts via the rotary table 125 in conjunction with the motor's rotation angle, mechanically compressing or decompressing the diamond anvil cell 110. Using a rotary table with a stepping motor is advantageous because it allows for precise, stepwise pressure application by setting the angle.
なお、この実施例では、ステッピングモータを用いる場合を示しているが、油圧ピストン装置またはガス圧メンブレン装置を用いてもよい。これらは、てこの原理、バネの力、ねじの力、あるいは、油圧・ガス圧増圧装置による加圧を可能とする。油圧ピストン装置あるいはガス圧メンブレン装置を使用する際には、増圧装置とともに用いるとよい。 In this embodiment, a stepping motor is used, but a hydraulic piston device or gas pressure membrane device may also be used. These allow pressure to be applied using the principle of leverage, spring force, screw force, or a hydraulic/gas pressure booster. When using a hydraulic piston device or gas pressure membrane device, it is recommended to use it in conjunction with a booster.
アクチュエータ130は、外部からの電気信号を物理的な伸縮運動に変化できるものであれば特に制限はないが、代表的には、電気信号として電圧を力に変換する圧電素子である。中でも、積層型ピエゾアクチュエータであってよい。積層型であれば、電圧の印加によって、圧電素子の積層数に応じて、数nm~数百μmの範囲の伸縮が可能である。このようなナノメートルオーダの伸縮により、押圧機構120とは異なる連続的加圧が可能となる。 There are no particular limitations on the actuator 130, as long as it can convert an external electrical signal into physical expansion and contraction movement. A typical example is a piezoelectric element that converts voltage as an electrical signal into force. A stacked piezoelectric actuator may be used. A stacked piezoelectric actuator can expand and contract in the range of several nanometers to several hundred micrometers when a voltage is applied, depending on the number of layers of the piezoelectric element. This expansion and contraction on the order of nanometers enables continuous pressure application, which differs from the pressing mechanism 120.
例えば、数μmの伸び分に相当するダイヤモンドアンビルセル110に印加される圧力は、例えば、ステッピングモータである押圧機構120において1°回転させた場合に印加する圧力のわずか0.1%に相当する。すなわち、押圧機構120とアクチュエータ130とを併用することにより、押圧機構120で印加される最小圧力ステップの間を、0.1%ステップで埋めることができる。このようにして、連続加圧を可能にする。
このような圧電素子は、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT、Pb(Zr,Ti)O3)、ニオブ酸カリウム(KNN、(K,Na)NbO3)等の薄膜からなる。
For example, the pressure applied to the diamond anvil cell 110 corresponding to an elongation of several μm corresponds to only 0.1% of the pressure applied when the pressing mechanism 120, which is a stepping motor, is rotated 1°. In other words, by using the pressing mechanism 120 and the actuator 130 together, the minimum pressure step applied by the pressing mechanism 120 can be filled with a 0.1% step. In this way, continuous pressure application is possible.
Such piezoelectric elements are made of thin films of lead zirconate titanate (PZT, Pb(Zr, Ti)O 3 ), potassium niobate (KNN, (K, Na)NbO 3 ), or the like.
アクチュエータ130のストローク(すなわち、最大伸縮の幅)には制限はない。ストロークが短ければ、押圧機構120との連動を多く制御すればよく、ストロークが長ければ、押圧機構120との連動を少なく制御すればよい。アクチュエータ130のストロークは、好ましくは、50μm以上200μm以下の範囲である。この範囲であれば、特別なアクチュエータとすることなく、超高圧(350GPaまで)まで連続加圧可能な加圧装置を提供できる。中でも、ストロークが60μm以上100μm以下の範囲を有するアクチュエータは、入手が容易である。 There is no limit to the stroke of the actuator 130 (i.e., the maximum extension/contraction range). If the stroke is short, it is sufficient to control the interlocking with the pressing mechanism 120 more, and if the stroke is long, it is sufficient to control the interlocking with the pressing mechanism 120 less. The stroke of the actuator 130 is preferably in the range of 50 μm to 200 μm. Within this range, a pressure device capable of continuous pressure application up to ultra-high pressures (up to 350 GPa) can be provided without the need for a special actuator. In particular, actuators with a stroke in the range of 60 μm to 100 μm are easily available.
アクチュエータ130は、好ましくは、図1に示すように、中空である。これにより、X線やレーザなどの各種光源と受光部とを組み合わせ、X線回折パターン、ラマン散乱スペクトル等の測定を可能にする。 The actuator 130 is preferably hollow, as shown in Figure 1. This allows for combining various light sources, such as X-rays and lasers, with a light-receiving unit, making it possible to measure X-ray diffraction patterns, Raman scattering spectra, and the like.
アクチュエータ130は、押圧機構120に噛合されたシリンダチューブ131に装填されていてよく、アクチュエータ130の伸縮に応じて、シリンダチューブ131内でアクチュエータ130は位置調整され得る。シリンダチューブ131の上端には、ダイヤモンドアンビルセル110が篏合されており、押圧機構120による圧力、ならびに、アクチュエータ130による圧力を、効率的にダイヤモンドアンビルセル110に印加できる。 The actuator 130 may be loaded into a cylinder tube 131 engaged with the pressing mechanism 120, and the position of the actuator 130 can be adjusted within the cylinder tube 131 as the actuator 130 expands or contracts. The diamond anvil cell 110 is engaged at the upper end of the cylinder tube 131, allowing the pressure from the pressing mechanism 120 and the pressure from the actuator 130 to be efficiently applied to the diamond anvil cell 110.
シリンダチューブ131の周面には、シェル係合部126と係合するための平坦面が設けられている。シリンダチューブ131の下端には、筒状連結部132が取り付けられている。筒状連結部132の内側周面にはネジ部133としての雌ネジが形成されており、シリンダチューブ131の下端の周面外側に形成されたネジ部133としての雄ネジと螺合する。筒状連結部132は、下端周面に下蓋部134を螺着するためのネジが形成してある。下蓋部134は、アクチュエータ130の下端側に設けられた圧力センサ140を覆っている。 The circumferential surface of the cylinder tube 131 is provided with a flat surface for engaging with the shell engaging portion 126. A cylindrical connecting portion 132 is attached to the lower end of the cylinder tube 131. A female thread is formed on the inner circumferential surface of the cylindrical connecting portion 132 as a screw portion 133, which screws into a male thread formed on the outer circumferential surface of the lower end of the cylinder tube 131. A thread is formed on the lower end circumferential surface of the cylindrical connecting portion 132 for screwing in a lower cover portion 134. The lower cover portion 134 covers a pressure sensor 140 provided on the lower end side of the actuator 130.
図示しないが、ダイヤモンドアンビルセル110とアクチュエータ130との間に軸受を備えてもよい。これにより、ダイヤモンドアンビルセル110の下面とアクチュエータ130との間で生じる回転方向の摩擦が低減する。その結果、せん断応力によるアクチュエータの破損を防止できる。 Although not shown, a bearing may be provided between the diamond anvil cell 110 and the actuator 130. This reduces friction in the rotational direction that occurs between the underside of the diamond anvil cell 110 and the actuator 130. As a result, damage to the actuator due to shear stress can be prevented.
圧力センサ140は、アクチュエータ130がダイヤモンドアンビルセル110に印加する圧力を検知するものであれば特に制限はないが、例示的には、水晶式圧力センサ、ひずみゲージ式圧力センサ、半導体圧力センサなどがある。中でも、圧電効果を利用した水晶圧電式センサであれば、高荷重を測定でき、繰り返し利用できるため好ましい。
ここでは、圧力センサ140は、アクチュエータ130の下端と回転テーブル125の間に設けられているが、アクチュエータ130がダイヤモンドアンビルセル110に印加する圧力を検知できれば良いので、アクチュエータ130のダイヤモンドアンビルセル110側に設けられていてもよい。
There are no particular limitations on the pressure sensor 140 as long as it detects the pressure applied by the actuator 130 to the diamond anvil cell 110, and examples include a quartz pressure sensor, a strain gauge pressure sensor, a semiconductor pressure sensor, etc. Among these, a quartz piezoelectric sensor that utilizes the piezoelectric effect is preferred because it can measure high loads and can be used repeatedly.
Here, the pressure sensor 140 is provided between the lower end of the actuator 130 and the rotary table 125, but since it is only necessary to detect the pressure applied by the actuator 130 to the diamond anvil cell 110, it may also be provided on the diamond anvil cell 110 side of the actuator 130.
圧力センサ140は、アクチュエータ130がダイヤモンドアンビルセル110に印加する圧力値を検知するが、アクチュエータ130による圧力値が0であり、圧力値を検知し始める点をアクチュエータ130の加圧開始点となるように、アクチュエータ130が調整される。アクチュエータ130の調整は、印加電圧、位置調整によって行われる。設定した加圧開始点からアクチュエータ130のストローク分だけ常に連続的な加圧が可能である。 The pressure sensor 140 detects the pressure value applied by the actuator 130 to the diamond anvil cell 110. The actuator 130 is adjusted so that the pressure value applied by the actuator 130 is 0 and the point at which the pressure value begins to be detected is the actuator 130's pressurization start point. The actuator 130 is adjusted by adjusting the applied voltage and position. Continuous pressure is always possible from the set pressurization start point by the stroke of the actuator 130.
当然ながら、圧力センサ140を用いれば、アクチュエータ130のストロークが最大値であることを検知して、加圧終了点を設定することもできる。設定した加圧終了点からアクチュエータ130のストローク分だけ連続的な減圧も可能である。 Naturally, by using the pressure sensor 140, it is possible to detect when the stroke of the actuator 130 is at its maximum value and set the pressurization end point. It is also possible to continuously reduce the pressure by the stroke of the actuator 130 from the set pressurization end point.
本発明の加圧装置100は、好ましくは、図1に示すように、押圧機構120、アクチュエータ130および圧力センサ140の動作を制御する制御機構150を備える。これにより、超高圧(350GPa)までの連続加圧を自動で行うことができる。
制御機構150と押圧機構120のステッピングモータ121との間は、モータ駆動線151で接続されている。制御機構150とアクチュエータ130との間は、アクチュエータ駆動線152で接続されている。制御機構150と圧力センサ140の間は、センサ接続線153で接続されている。
1, the pressure device 100 of the present invention preferably includes a control mechanism 150 that controls the operations of the pressing mechanism 120, the actuator 130, and the pressure sensor 140. This allows automatic continuous pressure application up to ultra-high pressure (350 GPa).
The control mechanism 150 and the stepping motor 121 of the pressing mechanism 120 are connected by a motor drive line 151. The control mechanism 150 and the actuator 130 are connected by an actuator drive line 152. The control mechanism 150 and the pressure sensor 140 are connected by a sensor connection line 153.
図4は、本発明の加圧装置の制御機構による押圧機構120、アクチュエータ130および圧力センサ140の動作制御を示すフローチャートである。制御機構150は、好ましくは、次のようにして、押圧機構120、アクチュエータ130および圧力センサ140の動作を制御する。 Figure 4 is a flowchart showing the operation control of the pressing mechanism 120, actuator 130, and pressure sensor 140 by the control mechanism of the pressure device of the present invention. The control mechanism 150 preferably controls the operation of the pressing mechanism 120, actuator 130, and pressure sensor 140 as follows:
動作(A):まず、押圧機構120がダイヤモンドアンビルセル110に機械的な圧力を印加する。例えば、押圧機構120がステッピングモータであれば、所定角度だけモータを回転させればよい。 Operation (A): First, the pressing mechanism 120 applies mechanical pressure to the diamond anvil cell 110. For example, if the pressing mechanism 120 is a stepping motor, the motor can be rotated by a predetermined angle.
動作(B):次いで、押圧機構120が圧力を印加した状態で、圧力センサ140は、アクチュエータ130がダイヤモンドアンビルセル110に印加する圧力を検知し、制御機構150は、その圧力値を検知し始める状態となるようにアクチュエータ130を調整する。このとき、好ましくは、アクチュエータ130のストロークは0であり、全く伸びていない状態である。このようにして、アクチュエータ130の圧力開始点が設定される。 Operation (B): Next, with the pressing mechanism 120 applying pressure, the pressure sensor 140 detects the pressure applied by the actuator 130 to the diamond anvil cell 110, and the control mechanism 150 adjusts the actuator 130 so that it begins to detect this pressure value. At this time, the stroke of the actuator 130 is preferably 0, meaning that it is not extended at all. In this way, the pressure starting point of the actuator 130 is set.
例えば、アクチュエータ130が圧力を印加している場合には、印加電圧を調整し、アクチュエータ130のストロークを0にし、加圧直前となるようにする。例えば、アクチュエータ130が圧力を印加していない場合には、シリンダチューブ131内のアクチュエータ130の位置を調整し、加圧直前となるように位置調整する。このときも、アクチュエータ130のストロークが0である。 For example, when the actuator 130 is applying pressure, the applied voltage is adjusted to set the stroke of the actuator 130 to 0, just before pressure is applied. For example, when the actuator 130 is not applying pressure, the position of the actuator 130 within the cylinder tube 131 is adjusted to set it to just before pressure is applied. In this case, the stroke of the actuator 130 is also 0.
動作(C):次いで、押圧機構120が圧力を印加した状態で、加圧開始点に調整されたアクチュエータ130がダイヤモンドアンビルセル110に連続的に圧力を印加する。例えば、アクチュエータ130が積層型ピエゾアクチュエータであれば、電圧を徐々に印加するだけで、アクチュエータ130のストロークだけダイヤモンドアンビルセル110に圧力を印加できるが、アクチュエータ130の伸縮量を制御することにより、ストローク内で細かく圧力を印加できる。 Operation (C): Next, while the pressing mechanism 120 is applying pressure, the actuator 130, adjusted to the pressure application start point, continuously applies pressure to the diamond anvil cell 110. For example, if the actuator 130 is a stacked piezoelectric actuator, pressure can be applied to the diamond anvil cell 110 by the stroke of the actuator 130 simply by gradually applying voltage, but by controlling the amount of expansion and contraction of the actuator 130, pressure can be applied precisely within the stroke.
制御機構150は、押圧機構120、アクチュエータ130および圧力センサ140の上述した動作(A)~(C)に続いて、押圧機構120による加圧、および、アクチュエータ130による加圧を繰り返すことにより、超高圧(例えば350GPa)まで連続的に試料に圧力を印加することができる。 Following the above-described operations (A) to (C) of the pressing mechanism 120, actuator 130, and pressure sensor 140, the control mechanism 150 repeats the application of pressure by the pressing mechanism 120 and the application of pressure by the actuator 130, thereby continuously applying pressure up to ultra-high pressure (e.g., 350 GPa) to the sample.
アクチュエータ130がダイヤモンドアンビルセル110に連続的に圧力印加するようアクチュエータ130を制御すること(動作(C))に続く動作を詳細に説明する。 The operations following controlling the actuator 130 so that the actuator 130 continuously applies pressure to the diamond anvil cell 110 (operation (C)) will now be described in detail.
動作(D):制御機構150は、アクチュエータ130がダイヤモンドアンビルセル110に圧力を印加した状態で、押圧機構120がダイヤモンドアンビルセル110にさらなる圧力を印加する。例えば、アクチュエータ130が積層型ピエゾアクチュエータであり、押圧機構120がステッピングモータであれば、積層型ピエゾアクチュエータに印加した電圧を維持した状態で、所定角度だけさらにモータを回転させればよい。これにより、アクチュエータ130とダイヤモンドアンビルセル110とが物理的に近接するため、アクチュエータ130による圧力はダイヤモンドアンビルセル110にさらに印加される。 Operation (D): With the actuator 130 applying pressure to the diamond anvil cell 110, the control mechanism 150 causes the pressing mechanism 120 to apply further pressure to the diamond anvil cell 110. For example, if the actuator 130 is a stacked piezoelectric actuator and the pressing mechanism 120 is a stepping motor, the motor can be further rotated by a predetermined angle while maintaining the voltage applied to the stacked piezoelectric actuator. This brings the actuator 130 and diamond anvil cell 110 physically closer together, so that further pressure from the actuator 130 is applied to the diamond anvil cell 110.
なお、動作(D)に先立って、アクチュエータ130への電圧を除去し、ダイヤモンドアンビルセル110に印加される圧力を減圧してもよい。また、この減圧をアクチュエータ130のストロークだけ連続的に行ってもよい。 Incidentally, prior to operation (D), the voltage to the actuator 130 may be removed to reduce the pressure applied to the diamond anvil cell 110. This reduction in pressure may also be performed continuously for the stroke of the actuator 130.
動作(E):次いで、押圧機構120がさらなる圧力を印加した状態で、圧力センサ140はアクチュエータ130がダイヤモンドアンビルセル110に印加する圧力を検知し、その圧力値を検知し始める状態となるようにアクチュエータ130を調整する。この動作(E)は、上述した動作(B)と同様である。 Operation (E): Next, with the pressing mechanism 120 applying further pressure, the pressure sensor 140 detects the pressure applied by the actuator 130 to the diamond anvil cell 110 and adjusts the actuator 130 so that it begins to detect the pressure value. This operation (E) is similar to operation (B) described above.
動作(F):次いで、押圧機構120がさらなる圧力を印加した状態で、再度圧力開始点に調整されたアクチュエータ130がダイヤモンドアンビルセル110に連続的に圧力を印加する。動作(F)は、動作(C)と同様であるが、押圧機構120が印加する圧力が異なっている。このため、新たな圧力範囲において、アクチュエータ130の伸縮量を制御することにより、細かく圧力を印加できる。 Operation (F): Next, with the pressing mechanism 120 applying further pressure, the actuator 130, adjusted to the pressure starting point again, continuously applies pressure to the diamond anvil cell 110. Operation (F) is similar to operation (C), but the pressure applied by the pressing mechanism 120 is different. Therefore, by controlling the amount of expansion and contraction of the actuator 130 within the new pressure range, it is possible to apply pressure precisely.
このようにして、動作(D)~動作(F)を繰り返すことにより、超高圧(例えば350GPa)まで連続的に圧力を印加できる。本発明の装置を用いれば、ダイヤモンドアンビル210が破壊するまで加圧でき、しかも破壊の終点を特定することができる。ここでは、超高圧まで加圧する動作について説明してきたが、アクチュエータ130のストロークが0である加圧開始点に代えて、ストロークの最大値を減圧開始点とし、逆の動作を行うことにより、超高圧から連続的に減圧することも可能であることは、当業者であれば容易に理解する。 In this way, by repeating operations (D) through (F), pressure can be continuously applied up to ultra-high pressure (e.g., 350 GPa). Using the device of the present invention, it is possible to apply pressure until the diamond anvil 210 breaks, and it is also possible to identify the end point of the breakage. While the operation of pressurizing up to ultra-high pressure has been described here, those skilled in the art will readily understand that it is also possible to continuously depressurize from ultra-high pressure by using the maximum value of the stroke of the actuator 130 as the depressurization starting point, rather than the pressurization starting point where the stroke of the actuator 130 is 0, and then performing the reverse operation.
図3は、本発明の加圧装置の制御機構の一実施例を示すブロック図である。 Figure 3 is a block diagram showing one embodiment of the control mechanism of the pressure device of the present invention.
制御機構150は、好ましくは、アクチュエータ130に電圧を印加するアクチュエータ駆動回路310と、圧力センサ140の圧力を変換し、測定する変換測定部320と、押圧機構120に駆動電流を送るモータ駆動回路330と、アクチュエータ駆動回路310、変換測定部320およびモータ駆動回路330を制御する中央演算処理部340とを備える。これにより、上述の動作(A)~(F)による超高圧までの加圧、あるいは、その逆の超高圧からの減圧を可能にする。 The control mechanism 150 preferably includes an actuator drive circuit 310 that applies voltage to the actuator 130, a conversion measurement unit 320 that converts and measures the pressure of the pressure sensor 140, a motor drive circuit 330 that sends a drive current to the pressing mechanism 120, and a central processing unit 340 that controls the actuator drive circuit 310, the conversion measurement unit 320, and the motor drive circuit 330. This makes it possible to increase pressure up to ultra-high pressure using the above-mentioned operations (A) to (F), or vice versa, to decrease pressure from ultra-high pressure.
アクチュエータ駆動回路310にはファンクションジェネレータ350がさらに接続されてもよい。これにより、アクチュエータ駆動回路310は、ファンクションジェネレータ350から出力される電気信号の波形(パルス信号)を有するパルス電圧を増幅し、アクチュエータ130に印加できる。すなわち、パルス幅に応じて、連続的にアクチュエータ130に電圧を印加できるので、連続的な加圧あるいは減圧を可能にする。例えば、1Hzのパルス電圧を用いれば、1秒周期で電圧を印加できるので、周期的な加減圧を可能にする。なお、ファンクションジェネレータはパルスジェネレータであってもよい。また、アクチュエータ駆動回路310は、パルス電圧を増幅して出力する電圧増幅機能をそなえてもよい。 A function generator 350 may also be connected to the actuator drive circuit 310. This allows the actuator drive circuit 310 to amplify a pulse voltage having the waveform (pulse signal) of the electrical signal output from the function generator 350 and apply it to the actuator 130. In other words, a voltage can be continuously applied to the actuator 130 according to the pulse width, allowing for continuous pressure increase or decrease. For example, if a 1 Hz pulse voltage is used, a voltage can be applied at a 1 second cycle, allowing for periodic pressure increase or decrease. The function generator may also be a pulse generator. The actuator drive circuit 310 may also have a voltage amplification function that amplifies and outputs the pulse voltage.
変換測定部320は、圧力センサ140の圧力を電荷量等の電気信号に変換し、測定するものであれば特に制限はない。例示的には、変換測定部320としてチャージアンプを使用できる。 There are no particular limitations on the conversion measurement unit 320, as long as it converts the pressure of the pressure sensor 140 into an electrical signal such as an amount of charge and measures it. For example, a charge amplifier can be used as the conversion measurement unit 320.
モータ駆動回路330は駆動電流を押圧機構120に送り、押圧機構120を作動させるが、好ましくは、モータ駆動回路330にパルス信号を与えるコントローラ(図示せず)に接続される。これにより、パルス信号の周波数を加減することによって、ステッピングモータのトルクを調整でき、角度制御を可能にする。 The motor drive circuit 330 sends a drive current to the pressing mechanism 120 to operate it, and is preferably connected to a controller (not shown) that provides a pulse signal to the motor drive circuit 330. This allows the torque of the stepping motor to be adjusted by adjusting the frequency of the pulse signal, enabling angle control.
中央演算処理部340は、コントローラが生成するパルス信号の周波数を設定し、設定したパルス信号をコントローラに出力させるための制御信号、ならびに、パルス信号の出力をコントローラに停止させるための制御信号をコントローラに出力する。これにより、押圧機構120は、コントローラからのパルス信号に基づいてモータ駆動回路330が駆動し、機械的にダイヤモンドアンビルセル110に圧力を印加する。パルス信号の周波数によっては、ダイヤモンドアンビルセル110に印加している圧力を減圧することができることは言うまでもない。 The central processing unit 340 sets the frequency of the pulse signal generated by the controller and outputs to the controller a control signal to cause the controller to output the set pulse signal, as well as a control signal to cause the controller to stop outputting the pulse signal. As a result, the pressing mechanism 120 is driven by the motor drive circuit 330 based on the pulse signal from the controller, mechanically applying pressure to the diamond anvil cell 110. Needless to say, the pressure applied to the diamond anvil cell 110 can be reduced depending on the frequency of the pulse signal.
中央演算処理部340は、変換測定部320で変換された電気信号を読み取り、アクチュエータ130が加圧開始点となるよう調整する。中央演算処理部340は電気信号を読み取り、ファンクションジェネレータ350が生成するパルス信号の周波数を設定し、設定したパルス信号をファンクションジェネレータ350に出力させるための制御信号、ならびに、パルス信号の出力をファンクションジェネレータ350に停止させるための制御信号をファンクションジェネレータ350に出力する。 The central processing unit 340 reads the electrical signal converted by the conversion measurement unit 320 and adjusts the actuator 130 to be at the pressure application start point. The central processing unit 340 reads the electrical signal, sets the frequency of the pulse signal generated by the function generator 350, and outputs to the function generator 350 a control signal for causing the function generator 350 to output the set pulse signal, as well as a control signal for causing the function generator 350 to stop outputting the pulse signal.
ここで、中央演算処理部340は、アクチュエータ130が加圧状態にあると判定すれば、アクチュエータ130のストロークを0にし、加圧直前となるようパルス信号を設定し、アクチュエータ130が加圧状態にないと判定すれば、シリンダチューブ131内のアクチュエータ130の位置を調整し、加圧直前となるよう位置調整部(図示せず)に制御信号を出力する。このようにして、アクチュエータ130の加圧開始点が調整される。なお、位置調整部に替えて、ユーザが手動にてアクチュエータ130の位置を調整してもよい。 Here, if the central processing unit 340 determines that the actuator 130 is in a pressurized state, it sets the stroke of the actuator 130 to 0 and sets a pulse signal so that it is just about to be pressurized. If it determines that the actuator 130 is not in a pressurized state, it adjusts the position of the actuator 130 inside the cylinder tube 131 and outputs a control signal to a position adjustment unit (not shown) so that it is just about to be pressurized. In this way, the pressurization start point of the actuator 130 is adjusted. Note that instead of using the position adjustment unit, the user may manually adjust the position of the actuator 130.
あるいは、中央演算処理部340は、アクチュエータ130のストロークの最大値が減圧開始点となるようパルス信号を設定してもよい。この場合には、連続的な減圧を可能にする。 Alternatively, the central processing unit 340 may set the pulse signal so that the maximum value of the stroke of the actuator 130 is the pressure reduction start point. In this case, continuous pressure reduction is possible.
アクチュエータ130の加圧開始点が設定されると、中央演算処理部340は、ファンクションジェネレータ350が生成するパルス信号の周波数を設定し、設定したパルス信号をファンクションジェネレータ350に出力させるための制御信号、ならびに、パルス信号の出力をファンクションジェネレータ350に停止させるための制御信号をファンクションジェネレータ350に出力する。これにより、アクチュエータ130は、押圧機構120の圧力印加に対して、例えば0.1%ステップで連続的にダイヤモンドアンビルセル110に圧力を印加する。 Once the pressure application start point for the actuator 130 is set, the central processing unit 340 sets the frequency of the pulse signal generated by the function generator 350 and outputs to the function generator 350 a control signal for causing the function generator 350 to output the set pulse signal, as well as a control signal for causing the function generator 350 to stop outputting the pulse signal. As a result, the actuator 130 applies pressure to the diamond anvil cell 110 continuously, for example, in 0.1% steps relative to the pressure applied by the pressing mechanism 120.
中央演算処理部340は、押圧機構120による機械的な段階的圧力の印加と、アクチュエータ130による微細な連続的圧力の印加とを繰り返し行うプログラムが記録されたメモリ(図示せず)を備えてもよい。これにより、超高圧(例えば350GPa)までの加圧/超高圧からの減圧を自動的に行うことができる。また、キーボード、タッチパネルなどの入力装置(図示せず)を介して、押圧機構120のためのパルス信号の設定、アクチュエータ130のためのパルス信号の設定をしてもよく、これら設定値をメモリに記録させてもよい。 The central processing unit 340 may be equipped with a memory (not shown) that stores a program for repeatedly applying mechanical stepwise pressure using the pressing mechanism 120 and applying fine continuous pressure using the actuator 130. This allows automatic pressure application up to ultra-high pressure (e.g., 350 GPa) and pressure reduction from ultra-high pressure. Furthermore, pulse signals for the pressing mechanism 120 and the actuator 130 may be set via an input device (not shown) such as a keyboard or touch panel, and these settings may be recorded in memory.
このような中央演算処理部340は、ハードウェアロジックによって構成されてもよいし、CPU(Central Processing Unit)を備えたパーソナルコンピュータを用いてソフトウェアによって実現されてもよい。 Such a central processing unit 340 may be configured using hardware logic, or may be realized using software using a personal computer equipped with a CPU (Central Processing Unit).
上述したように、本発明の加圧装置100に、各種光源、あるいは、X線源、散乱光や回折光を受光する受光部等を備えることにより、X線回折装置や顕微ラマン散乱測定装置を構築できる。また、本発明の加圧装置100を顕微鏡に搭載すれば、高圧状態の試料を観察可能な光学顕微鏡装置を提供できる。当然ながら、これら各種測定装置を複数組み合わせてもよい。 As described above, by equipping the pressure device 100 of the present invention with various light sources, X-ray sources, light receiving units for receiving scattered light or diffracted light, etc., an X-ray diffraction device or a microscopic Raman scattering measurement device can be constructed. Furthermore, by mounting the pressure device 100 of the present invention on a microscope, an optical microscope device capable of observing samples under high pressure can be provided. Naturally, multiple of these various measurement devices may be combined.
次に具体的な実施例を用いて本発明を詳述するが、本発明がこれら実施例に限定されないことに留意されたい。 The present invention will now be described in detail using specific examples, but please note that the present invention is not limited to these examples.
[例1]
例1では、図1の加圧装置100において、先端0.04mmφのベベルド型ダイヤモンドアンビルセル110に試料として金とScN(窒化スカンジウム)との混合物をセットし、試料に印加される圧力の変化を調べた。押圧機構120は、モータ駆動回路330およびコントローラ付きステッピングモータ(中央精機株式会社製、ARS-136-HP)であり、アクチュエータ130は、中空積層圧電アクチュエータ(Piezosystem Jena GmbH製、HPSt 1000/25-15/80 VS35、チタン酸ジルコン酸鉛、ストローク長:80μm)であった。以降では単にピエゾアクチュエータと称する。圧力センサ140は、水晶圧電式センサ(HBK製、CLP/62KN)であった。
[Example 1]
In Example 1, a mixture of gold and scandium nitride (ScN) was placed in a beveled diamond anvil cell 110 with a tip of 0.04 mm in the pressure device 100 shown in Figure 1, and the change in pressure applied to the sample was examined. The pressing mechanism 120 was a stepping motor with a motor drive circuit 330 and a controller (ARS-136-HP, manufactured by Chuo Seiki Co., Ltd.), and the actuator 130 was a hollow laminated piezoelectric actuator (HPSt 1000/25-15/80 VS35, lead zirconate titanate, stroke length: 80 μm, manufactured by Piezosystem Jena GmbH). Hereinafter, this will be referred to simply as the piezoelectric actuator. The pressure sensor 140 was a quartz piezoelectric sensor (CLP/62KN, manufactured by HBK).
ピエゾアクチュエータには、アクチュエータ駆動回路310としてピエゾアクチュエータアンプ(Piezosystem Jena GmbH製、SVR 1000)およびファンクションジェネレータ350(株式会社エヌエフ回路設計ブロック製、WF1973)を接続し、これらを中央演算処理部340としてCPUを備えたパーソナルコンピュータに接続した。 The piezoelectric actuator was connected to a piezoelectric actuator amplifier (SVR 1000, manufactured by Piezosystem Jena GmbH) and a function generator 350 (WF1973, manufactured by NF Corporation) as the actuator drive circuit 310, which were then connected to a personal computer equipped with a CPU as the central processing unit 340.
水晶圧電式センサには、変換測定部320として圧電センサアンプ(HBK製、CMD600)を接続し、イーサネットハブを介して、コンピュータに接続した。なお、圧力変化を、X線回折による金の格子定数から決定した(例えば、Taku Tsuchiya,JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH, VOL. 108, NO. B10, 2462,2003)。 The quartz piezoelectric sensor was connected to a piezoelectric sensor amplifier (HBK, CMD600) as the conversion measurement unit 320, and then connected to a computer via an Ethernet hub. Pressure changes were determined from the lattice constant of gold using X-ray diffraction (see, for example, Taku Tsuchiya, JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH, VOL. 108, NO. B10, 2462, 2003).
ピエゾアクチュエータを取り付けたシリンダチューブ下部に水晶圧電式センサを取り付け、下部ふたを閉めた。シリンダチューブを押圧機構(ステッピングモータ)に固定した。ダイヤモンドアンビルセルに試料を装填して、ダイヤモンドアンビルセルの上部ねじ111(図1)により適度に押圧した状態で、シリンダ上部ねじにダイヤモンドアンビルセルをねじ込んだ。 A quartz crystal sensor was attached to the bottom of the cylinder tube, which had the piezoelectric actuator attached, and the bottom lid was closed. The cylinder tube was fixed to a pressing mechanism (stepping motor). The sample was loaded into the diamond anvil cell, and the diamond anvil cell was screwed into the cylinder's top screw while applying appropriate pressure with the diamond anvil cell's top screw 111 (Figure 1).
次に、ステッピングモータを作動させ、ダイヤモンドアンビルセルに機械的に加圧した。水晶圧電式センサによりピエゾアクチュエータの加圧開始点を調整した。その後、ファンクションジェネレータにより発生させたパルス信号(電圧)をピエゾアクチュエータアンプに入力し、その120倍の電圧をピエゾアクチュエータに供給し、アクチュエータを伸長させダイヤモンドアンビルセルを加圧した。このようにして得られた試料への圧力変化の様子を図4に示す。 Next, the stepping motor was activated to mechanically apply pressure to the diamond anvil cell. The pressure starting point of the piezoelectric actuator was adjusted using a quartz piezoelectric sensor. After that, a pulse signal (voltage) generated by the function generator was input to the piezoelectric actuator amplifier, and a voltage 120 times larger than the original voltage was supplied to the piezoelectric actuator, extending the actuator and pressurizing the diamond anvil cell. Figure 4 shows the pressure change on the sample obtained in this way.
図5は、ピエゾアクチュエータへ印加する電圧と圧力との関係(A)、および、圧力センサが検知した荷重と圧力との関係(B)を示す図である。 Figure 5 shows the relationship between the voltage applied to the piezoelectric actuator and the pressure (A), and the relationship between the load and the pressure detected by the pressure sensor (B).
図5によれば、38GPaで加圧開始点に調整されたアクチュエータを用いれば、38GPaから130GPaまで連続的に加圧できることが示された。ピエゾアクチュエータにより、100GPaを超えるような超高圧下でも0.1%の圧力刻みで超高圧実験をおこなうことが可能になった。 Figure 5 shows that by using an actuator adjusted to start applying pressure at 38 GPa, it is possible to continuously apply pressure from 38 GPa to 130 GPa. The piezoelectric actuator makes it possible to conduct ultra-high pressure experiments at pressure increments of 0.1%, even under ultra-high pressures exceeding 100 GPa.
次に、ピエゾアクチュエータによる加圧で、ピエゾアクチュエータアンプの供給電圧が最大電圧に到達した時点(すなわち、ピエゾアクチュエータの最大ストロークまで伸長させた時点)で、ステッピングモータを5~10°回転させ、ダイヤモンドアンビルセルにさらに加圧した。なお、ステッピングモータの加圧前に、ピエゾアクチュエータへの電圧を除去してもよい。 Next, when the supply voltage of the piezo actuator amplifier reached its maximum voltage due to pressure applied by the piezo actuator (i.e., when the piezo actuator was extended to its maximum stroke), the stepping motor was rotated 5 to 10° to apply further pressure to the diamond anvil cell. Note that the voltage to the piezo actuator may be removed before applying pressure to the stepping motor.
ここで、水晶圧電式センサによりピエゾアクチュエータの加圧開始点を再度調整した。次いで、水晶圧電式センサが感応し始めた点から、ピエゾアクチュエータに電圧供給し、加圧を始めた。この過程を繰り返すことで、ダイヤモンドアンビルが破壊することなく、311GPaまで加圧できることを確認した。 At this point, the pressure application start point of the piezoelectric actuator was again adjusted using the quartz piezoelectric sensor. Next, from the point at which the quartz piezoelectric sensor began to respond, voltage was supplied to the piezoelectric actuator and pressure application began. By repeating this process, it was confirmed that pressure could be applied up to 311 GPa without the diamond anvil breaking.
[例2]
例2では、図1の加圧装置100において、先端0.3mmφのフラット型ダイヤモンドアンビルセル110に試料として金とNaClとの混合物をセットし、試料に印加される圧力の変化を調べた。圧力変化は、ダイヤモンドのラマン散乱スペクトルから決定した(例えば、Yuichi Akahamaら,Journal of Applied Physics 96,3748,2004)。
[Example 2]
In Example 2, a mixture of gold and NaCl was placed in a flat diamond anvil cell 110 with a tip diameter of 0.3 mm in the pressure device 100 shown in Figure 1, and the change in pressure applied to the sample was measured. The change in pressure was determined from the Raman scattering spectrum of the diamond (e.g., Yuichi Akahama et al., Journal of Applied Physics 96, 3748, 2004).
例2においても、例1と同様にして、ステッピングモータによる機械的加圧、ピエゾアクチュエータの加圧開始点の調整、ピエゾアクチュエータのストロークだけ連続的加圧、次いで、ピエゾアクチュエータの連続的減圧をし、これら過程を繰り返した。このようにして得られた試料への圧力変化の様子を図5に示す。 In Example 2, as in Example 1, mechanical pressure was applied using a stepping motor, the pressure starting point of the piezoelectric actuator was adjusted, continuous pressure was applied for the stroke of the piezoelectric actuator, and then continuous pressure reduction of the piezoelectric actuator was performed, and these processes were repeated. The pressure changes on the sample obtained in this way are shown in Figure 5.
図6は、ピエゾアクチュエータへ印加する電圧と圧力との関係(A)、および、実行数と加圧変化との関係(B)を示す図である。 Figure 6 shows the relationship between the voltage and pressure applied to the piezoelectric actuator (A), and the relationship between the number of runs and the change in applied pressure (B).
図6(A)によれば、ピエゾアクチュエータとステッピングモータとの併用により、最大50.1GPaまで連続的に加圧できることが示された。例2では、例1と異なり試料と接触する面積が大きいため、到達圧力が異なっていることに留意されたい。 Figure 6(A) shows that by using a piezoelectric actuator and a stepping motor in combination, it is possible to continuously apply pressure up to 50.1 GPa. Note that in Example 2, unlike Example 1, the contact area with the sample is larger, resulting in a different ultimate pressure.
図6(A)において、ピエゾアクチュエータにおける加圧過程(図中の1の挙動)と減圧過程(図中の2の挙動)の曲線が同一線上にない理由は、ピエゾアクチュエータ伸縮のヒステリシスと、加圧中の試料室の変形のためである。試料室が加圧のために薄くなっても、ステッピングモータによりストロークを進めることができるため、段階的かつ連続的に加圧を進めることができる。 In Figure 6(A), the curves for the pressure application process (behavior 1 in the figure) and the pressure application process (behavior 2 in the figure) of the piezoelectric actuator are not on the same line. This is due to the hysteresis of the expansion and contraction of the piezoelectric actuator and the deformation of the sample chamber during pressure application. Even if the sample chamber becomes thinner due to pressure application, the stroke can be advanced by the stepping motor, allowing pressure to be applied in stages and continuously.
[例3]
例3では、図1の加圧装置100において、先端0.06mmφのベベルド型ダイヤモンドアンビルセルを用いた以外は、例1と同様であるため、説明を省略する。例1と同様にして、ステッピングモータとピエゾアクチュエータとを併用したところ、250GPaまで連続的に加圧できることを確認した。その後、ダイヤモンドアンビルは、加圧中に破壊した。このことから、この先端サイズのダイヤモンドアンビルの終点(破壊点)は、250GPaであると特定できた。
[Example 3]
Example 3 is the same as Example 1 except that a beveled diamond anvil cell with a tip of 0.06 mmφ was used in the pressure device 100 of Figure 1, so a description thereof will be omitted. Similarly to Example 1, when a stepping motor and a piezo actuator were used in combination, it was confirmed that continuous pressure up to 250 GPa could be applied. The diamond anvil then broke during pressure application. From this, it was determined that the end point (breaking point) of a diamond anvil with this tip size was 250 GPa.
本発明の加圧装置を用いれば、超高圧まで連続的に加圧できので、高精度なデータを収集できる。また、本発明の加圧装置を用いれば、ダイヤモンドの破壊の終点を特定できるので、アンビルの破損を防ぐことができ、超高圧加圧装置として有効である。また、本実施例の加圧装置を用いれば、350GPaの超高圧まで連続的に加圧できる。 The pressure device of the present invention can continuously apply pressure up to ultra-high pressures, allowing for the collection of highly accurate data. Furthermore, the pressure device of the present invention can pinpoint the end point of diamond destruction, preventing damage to the anvil and making it an effective ultra-high pressure pressure device. Furthermore, the pressure device of this example can continuously apply pressure up to ultra-high pressures of 350 GPa.
100 加圧装置
110 ダイヤモンドアンビルセル
111 上部ねじ
120 押圧機構(回転テーブル用筐体)
121 ステッピングモータ
122 手動ダイヤル
123 筒状収容室周壁
124 筒状収容室底板
125 回転テーブル
125a 中空部
126 シェル係合部
127 凹状収容室
128 押しピン
129 押しピン挿入穴
130 アクチュエータ
131 アクチュエータシェル
132 筒状連結部
133 ネジ部
134 下蓋部
140 圧力センサ
150 制御機構
151 モータ駆動線
152 アクチュエータ駆動線
153 センサ接続線
210 ダイヤモンドアンビル
310 アクチュエータ駆動回路
320 変換測定部
330 モータ駆動回路
340 中央演算処理部
350 ファンクションジェネレータ
100 Pressurizing device 110 Diamond anvil cell 111 Upper screw 120 Pressing mechanism (housing for rotary table)
121 Stepping motor 122 Manual dial 123 Cylindrical storage chamber peripheral wall 124 Cylindrical storage chamber bottom plate 125 Rotary table 125a Hollow portion 126 Shell engagement portion 127 Recessed storage chamber 128 Push pin 129 Push pin insertion hole 130 Actuator 131 Actuator shell 132 Cylindrical connecting portion 133 Threaded portion 134 Lower cover portion 140 Pressure sensor 150 Control mechanism 151 Motor drive line 152 Actuator drive line 153 Sensor connection line 210 Diamond anvil 310 Actuator drive circuit 320 Conversion measurement unit 330 Motor drive circuit 340 Central processing unit 350 Function generator
Claims (17)
前記試料を挟持するダイヤモンドアンビルセルと、
前記ダイヤモンドアンビルセルに機械的に圧力を印加する押圧機構と、
前記ダイヤモンドアンビルセルに電気信号による圧力を印加するアクチュエータと、
前記アクチュエータが前記ダイヤモンドアンビルセルに印加する圧力を検知する圧力センサと
を備え、
前記押圧機構は、ステッピングモータ、油圧ピストン装置およびガス圧メンブレン装置からなる群から選択される、加圧装置。 A pressure device that applies pressure to a sample,
a diamond anvil cell that holds the sample;
a pressing mechanism that mechanically applies pressure to the diamond anvil cell;
an actuator that applies pressure to the diamond anvil cell by an electric signal;
a pressure sensor that detects the pressure applied to the diamond anvil cell by the actuator ;
The pressing mechanism is selected from the group consisting of a stepping motor, a hydraulic piston device, and a gas pressure membrane device .
前記回転テーブルは、前記アクチュエータが貫通する中空部を有し、
前記押圧機構は、前記回転テーブルの中空部を貫通した前記アクチュエータの端部を収容する凹状収容室を備える、請求項1に記載の加圧装置。 The pressing mechanism has a rotary table driven by the stepping motor,
the rotary table has a hollow portion through which the actuator passes,
The pressure device according to claim 1 , wherein the pressing mechanism includes a recessed accommodation chamber that accommodates an end of the actuator that passes through a hollow portion of the rotary table.
(A)前記押圧機構が前記ダイヤモンドアンビルセルに圧力を印加し、
(B)前記押圧機構が前記ダイヤモンドアンビルセルに圧力を印加した状態で、前記圧力センサが前記アクチュエータによる圧力値を測定し、前記アクチュエータが圧力開始点となるよう調整し、
(C)前記押圧機構が前記ダイヤモンドアンビルセルに圧力を印加した状態で、前記圧力開始点に調整された前記アクチュエータが前記ダイヤモンドアンビルセルに連続的に圧力を印加する、
ように前記押圧機構、前記アクチュエータおよび前記圧力センサの動作を制御する、請求項7に記載の加圧装置。 The control mechanism
(A) the pressing mechanism applies pressure to the diamond anvil cell;
(B) while the pressing mechanism applies pressure to the diamond anvil cell, the pressure sensor measures the pressure value applied by the actuator, and adjusts the actuator to be at the pressure start point;
(C) while the pressing mechanism applies pressure to the diamond anvil cell, the actuator adjusted to the pressure starting point continuously applies pressure to the diamond anvil cell.
The pressure device according to claim 7 , wherein operations of the pressing mechanism, the actuator, and the pressure sensor are controlled so as to
(D)前記アクチュエータが前記ダイヤモンドアンビルセルに圧力を印加した状態で、前記押圧機構が前記ダイヤモンドアンビルセルにさらなる圧力を印加し、
(E)前記押圧機構が前記ダイヤモンドアンビルセルにさらなる圧力を印加した状態で、前記圧力センサが前記アクチュエータによる圧力値を測定し、前記アクチュエータが圧力開始点となるよう調整し、
(F)前記押圧機構が前記ダイヤモンドアンビルセルにさらなる圧力が印加した状態で、前記圧力開始点に調整された前記アクチュエータが前記ダイヤモンドアンビルセルに圧力を印加する、
ように前記押圧機構、前記アクチュエータおよび前記圧力センサの動作を制御する、請求項8に記載の加圧装置。 The control mechanism
(D) while the actuator is applying pressure to the diamond anvil cell, the pressing mechanism applies further pressure to the diamond anvil cell;
(E) while the pressing mechanism applies further pressure to the diamond anvil cell, the pressure sensor measures the pressure value applied by the actuator, and adjusts the actuator to be at the pressure start point;
(F) in a state where the pressing mechanism applies further pressure to the diamond anvil cell, the actuator adjusted to the pressure starting point applies pressure to the diamond anvil cell.
The pressure device according to claim 8 , wherein operations of the pressing mechanism, the actuator, and the pressure sensor are controlled so as to
前記アクチュエータに電圧を印加するアクチュエータ駆動回路と、
前記圧力センサの圧力を変換し、測定する変換測定部と、
前記押圧機構に駆動電流を送るモータ駆動回路と、
前記アクチュエータ駆動回路、前記変換測定部および前記モータ駆動回路を制御する中央演算処理部と
を備える、請求項7~10のいずれかに記載の加圧装置。 The control mechanism
an actuator drive circuit that applies a voltage to the actuator;
a conversion/measurement unit that converts and measures the pressure of the pressure sensor;
a motor drive circuit for sending a drive current to the pressing mechanism;
The pressure device according to any one of claims 7 to 10 , further comprising: a central processing unit that controls the actuator drive circuit, the conversion measurement unit, and the motor drive circuit.
前記試料を挟持するダイヤモンドアンビルセルと、a diamond anvil cell that holds the sample;
前記ダイヤモンドアンビルセルに機械的に圧力を印加する押圧機構と、a pressing mechanism that mechanically applies pressure to the diamond anvil cell;
前記ダイヤモンドアンビルセルに電気信号による圧力を印加するアクチュエータと、an actuator that applies pressure to the diamond anvil cell by an electric signal;
前記アクチュエータが前記ダイヤモンドアンビルセルに印加する圧力を検知する圧力センサと、a pressure sensor that detects the pressure applied to the diamond anvil cell by the actuator;
前記押圧機構、前記アクチュエータおよび前記圧力センサの動作を制御する制御機構とa control mechanism for controlling the operations of the pressing mechanism, the actuator, and the pressure sensor;
を備え、Equipped with
前記制御機構は、The control mechanism
(A)前記押圧機構が前記ダイヤモンドアンビルセルに圧力を印加し、(A) the pressing mechanism applies pressure to the diamond anvil cell;
(B)前記押圧機構が前記ダイヤモンドアンビルセルに圧力を印加した状態で、前記圧力センサが前記アクチュエータによる圧力値を測定し、前記アクチュエータが圧力開始点となるよう調整し、(B) while the pressing mechanism applies pressure to the diamond anvil cell, the pressure sensor measures the pressure value applied by the actuator, and adjusts the actuator to be at the pressure start point;
(C)前記押圧機構が前記ダイヤモンドアンビルセルに圧力を印加した状態で、前記圧力開始点に調整された前記アクチュエータが前記ダイヤモンドアンビルセルに連続的に圧力を印加する、(C) while the pressing mechanism applies pressure to the diamond anvil cell, the actuator adjusted to the pressure starting point continuously applies pressure to the diamond anvil cell;
ように前記押圧機構、前記アクチュエータおよび前記圧力センサの動作を制御する、加圧装置。The pressure device controls the operations of the pressing mechanism, the actuator, and the pressure sensor so as to
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