(57)【要約】【課題】肉眼によりあらゆる角度から観察することが可能であるに止まらず、原子や分子が分離して存在する場合であっても、余分な要素を構成することなくそのままの状態を観察することができ、且つ、従来の成形法による場合に比べて格段に安価に造形することができる新規なミクロ構造表示模型を提供する。【解決手段】透明物質１内にレーザ光２を照射し、該透明物質１内に光学的損傷を与えることにより造形されてなる。【選択図】　　　　図４
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【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
透明物質内にレーザ光を照射し、該透明物質内に光学的損傷を与えることによりミクロ構造が造形されてなることを特徴とするミクロ構造表示模型。
【請求項２】
前記レーザ光は、ミクロ構造を表示するために作成された３次元座標データが変換用のプログラムを介して変換された造形用データに従って駆動されることを特徴とする請求項１記載のミクロ構造表示模型。
【請求項３】
前記透明物質は、透過性を有するガラス又は樹脂からなることを特徴とする請求項１又は２記載のミクロ構造表示模型。
【考案の詳細な説明】
【０００１】
【考案が属する技術分野】
本考案は、例えば、化学や材料系の研究分野又は教育分野において使用されるミクロ構造表示模型に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、化学や材料系の研究分野又は教育分野においては、理論的に分子軌道法や分子力学法に基づいた材料設計支援システムを使用し、原子・分子による単体、化合物，気体，液体，固体，溶液，アモルファス等の物質の構造を構築し、理論的に解明しようとする試みがなこされている。なお、上記材料設計支援システムには、例えば、分子軌道法や分子力学法等の理論に基づいた分子・結晶モデリングソフト，分子表示ソフト，分子動力学法や分子モンテカルロ法等によるシミュレーションソフト，分子データベース等がある。
【０００３】
ところで、上記材料設計支援システムを使用しながら物質の構造、とりわけ原子・分子の構造等のミクロ構造を解明する場合には、この原子・分子の形や大きさを正確に表現する方法が求められ、従来こうした表現方法としては、電子の広がりや他の原子・電子との非接触領域をｖａｎ　ｄｅｒ　Ｗａａｌｓ半径を用いた球で置き換え、或いは、原子間の結合を表すために原子間の距離を線や棒で表し、これにより分子の構造を３次元で表現する方法が採用されている。例えば、空間充填模型，棒模型，球棒模型或いは針金模型等の分子模型は、原子や分子の形や大きさを表現する方法として、従来より採用されているものである。また、上記分子軌道法や分子力学法の理論に基づいた材料設計支援システムによる原子・電子の構造を表現する方法の他に、最新の顕微鏡（トンネル顕微鏡（ＳＴＭ），走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ），原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）等）の方法によって、物質のミクロ構造の測定データをコンピュータ上で（コンピュータ本体に接続された表示装置に）３次元的に再現する方法もある。
【０００４】
なお、上述した何れの方法による場合であっても、物質のミクロ構造の表現は、コンピュータグラフィックス（ＣＧ）を用いて表示するものであり、コンピュータ上の仮想的な対象物として扱われているものであって、実体的な造形を想定しているものではない。すなわち、従来の研究や教育分野においては、物質のミクロ構造をコンピュータ上の仮想的な対象として表現できれば良いと考え、ＣＧデータとしての扱いのみが考慮されているのが実情である。
【０００５】
しかしながら、こうしたコンピュータ上での仮想的表現方法では、研究現場や教育現場において、肉眼であらゆる方向から観察できる実体物ではないために、物質のミクロ構造を理解する上では十分ではない。
【０００６】
そこで、こうした物質のミクロ構造を肉眼で観察できる方法として、樹脂やガラス等を加工することによりミクロ構造を造形する方法がある。例えば、樹脂，木又は発泡スチレンを切削工具により切削することにより造形する切削加工法や、内部に成形するミクロ構造に対応した空間が形成された鋳型を作成し、この鋳型内に溶融した樹脂，石膏或いは低溶融金属を充填し硬化させる成型加工法、さらには、光硬化樹脂にレーザ光を照射することにより硬化させ、上記ミクロ構造を造形する光造形法等がある。こうした造形方法により成形されたミクロ構造表示模型によれば、物質のミクロ構造をあらゆる方向から肉眼で観察することが可能となる。また、こうした成形方法以外に、発泡スチレンにより成形された球体と、これらの球体を接続する接続棒からなる分子構造模型（特開平８−２０２２６０号公報）や、正三角形，六角形，四角形に成形されたプラスチック板を複数接続し、中空の１４面体又は２６面体とし、それらをさらに面で連結させる分子の三次元構造模型（特開平８−２２２４４号公報）等が提案されている。
【０００７】
【考案が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した切削加工法，成型加工法，光造形法等の加工方法により分子模型を造形する方法は、極めて高コストであり、量産に適さないばかりではなく、原子や分子が互いに分離して存在する場合には、本来的に該物質の構成要素ではない棒等の支持体を介して物質同士を互いに連結させなければ、離間した互いの物質の距離を正確に保持できない。すなわち、上述した従来の方法により成形されたミクロ構造表示模型では、複数の物質を宙に浮かすことはできないことから、本質的に限界がある。また、上記特開平８−２０２２６０号公報や特開平８−２２２４４号公報に開示された模型でも、上記成形法により作成されたミクロ構造表示模型と同じように、原子や分子が分離して存在する場合には、正確に表現できない点において、上記成形法によるミクロ構造表示模型と共通する本質的課題を有するとともに、原子毎に球体やプラスチック板を成形しなければならない。また、上記公報に開示された分子模型では、現実の分子構造が分子内の原子間距離や結合角度が分子内の各配置により、同じ原子の組合せでも異なり、正確に表現することができない。さらに同じ分子でも、固体，液体，気体で構造が異なり、歪んだりすることから、やはり正確に表現することができない。
【０００８】
そこで、本考案は、上述した従来のミクロ構造表示模型や該ミクロ構造表示模型の造形方法が有する課題を解決するために提案されたものであって、肉眼によりあらゆる角度から観察することが可能であるに止まらず、原子や分子が分離して存在する場合であっても、余分な要素を構成することなくそのままの状態を観察することができ、且つ、従来の成形法による場合に比べて格段に安価に造形することができる新規なミクロ構造表示模型を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本考案は、上記目的を達成するために提案されたものであって、第１の考案（請求項１記載の考案）は、ミクロ構造表示模型に係るものであって、透明物質内にレーザ光を照射し、該透明物質内に光学的損傷を与えることによりミクロ構造が造形されてなることを特徴とするものである。
【００１０】
この第１の考案において、上記透明物質とは、石英，水晶，アメジスト等の天然鉱石、透光性を有するガラス、透光性を有する樹脂（これらのガラス及び樹脂は、請求項３記載の考案）を使用することができる。なお、上記樹脂には、例えば、アクリル樹脂，ポリエステル樹脂，ポリメタクリル樹脂又はこれらの複合樹脂等を使用することができる。また、上記レーザ光は、ＹＡＧレーザ，ＹＬＦレーザに代表される固体レーザ、さらにはこれらの第２高調波，第３高調波、及びエキシマレーザに代表されるガスレーザを使用することができ、少なくとも、上記透明物質内に照射されることにより、該透明物質内に光学的損傷を与えることができるものであれば良い。
【００１１】
上記レーザ光の照射による光学的損傷により造形されたミクロ構造は、上記透明物質内に造形されているものであることから、原子や分子が互いに分離して存在する場合であっても、余分な要素を構成することなく表現することができる。すなわち、ミクロ構造を、そのままの状態で肉眼によりあらゆる角度から観察することができる。
【００１２】
また、第２の考案（請求項２記載の考案）は、上記第１の考案において、前記レーザ光は、ミクロ構造を表示するために作成された３次元座標データが変換用のプログラムを介して変換された造形用データに従って駆動されることを特徴とするものである。
【００１３】
この第２の考案において、ミクロ構造を表示するために作成された３次元座標データは、例えば、炭素（Ｃ），水素（Ｈ），窒素（Ｎ）等の原子の種類、原子の電荷、原子間の結合情報、原子のｘ，ｙ，ｚ座標値等のデータを指す。なお、これらの３次元座標データは、例えば、ブルックヘブン国立研究所又はＲＣＳＢ（Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｆｏｒ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　Ｂｉｏｉｎｆｏｒｍａｔｉｃｓ）のＰＤＢ（Ｐｒｏｔｅｉｎ　Ｄａｔａ　Ｂａｎｋ）形式のデータを用いることができる。なお、こうした３次元座標データは、コンピュータグラフィックス（ＣＧ）により、コンピュータ本体に接続される表示装置（モニタ）に表示されるためのデータ形式であることから、プログラム（ソフトウェア）を介して、造形用データに変換する。この造形用データは、ＣＡＤ（コンピュータ支援による設計製図システム：Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ａｉｄｅｄ　Ｄｅｓｉｇｎ）データやＣＡＭ（コンピュータ援用生産：Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ａｉｄｅｄ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）データ（例えば、オートデスク社のＤＸＦ（Ｄｒａｗｉｎｇ　Ｉｎｔｅｒｃｈａｎｇｅ　Ｆｉｌｅ）形式のデータ、或いは、スリーディーシステム社のＳＴＬ（Ｓｔｅｒｅｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　Ｆｏｒｍａｔ）形式のデータ）であり、具体的には、この造形用データをレーザ加工装置が読み込み、該データに従ってレーザ光が透明物質の内部に放射される。なお、上記３次元座標データ（例えば、上記ＰＤＢ形式のデータ）から、上記ＤＸＦ形式のデータ或いはＳＴＬ形式のデータに変換する場合には、上記変換用プログラムとして、材料（物質）設計支援システムの分子表示ソフトウェア（例えば、Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ社のＷｅｂＬａｂ　ＶｉｅｗｅｒＬｉｔｅ（商標）ソフトウェア）を用いて、上記種々の分子模型表示をＶＲＭＬ（Ｖｉｒｔｕａｌ　Ｒｅａｌｉｔｙ　Ｍｏｄｅｌｉｎｇ　Ｌａｎｇｕａｇｅ）形式のデータに変換し、さらに、変換ソフトウェア（例えば、オートデスク社の３Ｄ　Ｓｔｕｄｉｏ　Ｍａｘソフトウェア）により、造形用ＤＸＦ形式、或いは上記３Ｄ　Ｓｙｓｔｅｍ社のＳＴＬ形式のデータに変換する方法がある。
【００１４】
この考案では、上記ミクロ構造を表示するために作成された３次元座標データを使用していることから、ミクロ構造表示模型は極めて高精度なものとなる。
【００１５】
【考案の実施の形態】
以下、本考案の一実施の形態に係るミクロ構造表示模型について、その造形方法を図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、ミクロ構造の一例として、エタノール水溶液のミクロ構造表示模型の造形方法（以下、本造形方法という。）に、本考案を適用したものである。
【００１６】
先ず、本造形方法は、図１に示すように、最終製品であるエタノール水溶液のミクロ模型の３次元座標データを作成し又は入手する（３次元データ作成工程）。この３次元座標データは、エタノール水溶液を構成する原子である炭素（Ｃ），水素（Ｈ），酸素（Ｏ）に関する情報、それぞれの原子の電荷に関する情報、原子間の結合に関する情報、原子のｘ，ｙ，ｚ座標値等のデータであり、インターネットを介して入手しても良く、材料設計支援システム（例えば、Ｈｙｐｅｒｃｕｂｅ社のＨｙｐｅｒＣｈｅｍ（商標）ソフトウェア）を用いてエタノール分子の周辺に水分子を配置し、分子動力学計算によりシミュレーションした結果をＲＣＳＢ（Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｆｏｒ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　Ｂｉｏｉｎｆｏｒｍａｔｉｃｓ）のＰＤＢ（Ｐｒｏｔｅｉｎ　Ｄａｔａ　Ｂａｎｋ）形式のデータで保存する。なお、こうした３次元座標データにより、このエタノール水溶液をコンピュータグラフィックス（ＣＧ）を用いてコンピュータ本体に接続される表示装置（モニタ）に表示した場合には、図２のようになる。
【００１７】
そして、上述した３次元座標データを作成し又は入手すると、図１に示すように、この３次元座標データを、第１の変換用ソフトウェア（プログラム）により、ＶＲＭＬ（Ｖｉｒｔｕａｌ　Ｒｅａｌｉｔｙ　Ｍｏｄｅｌｉｎｇ　Ｌａｎｇｕａｇｅ）データに変換する。この第１の変換用ソフトウェアは、材料（物質）設計支援システムの分子表示ソフトウェアであるＭｏｌｅｃｕｌａｒ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ社のＷｅｂＬａｂ　ＶｉｅｗｅｒＬｉｔｅ（商標）を用いる。そして、この第１の変換用ソフトウェアにより、上記３次元座標データをＶＲＭＬデータに変換する作業が終了すると、次いで、このＶＲＭＬデータを、第２の変換ソフトウェアにより、ＣＡＤデータに変換する。この第２の変換ソフトウェアは、オートデスク社の３Ｄ　Ｓｔｕｄｉｏ　Ｍａｘソフトウェアであり、この第２の変換ソフトウェアにより、上記ＶＲＭＬデータを造形用ＤＸＦ形式等のデータに変換する。
【００１８】
そして、このように３次元座標データを、上記第１及び第２の変換ソフトウェアにより、造形用ＤＸＦ形式等のデータに変換し、次いで、この造形用ＤＸＦ形式等のデータを用いて、図示しないレーザ加工装置に接続されたコンピュータ本体に読み込ませ、図３に示すように、透明なガラス１内にレーザ光２を照射させる（造形工程）。図３は、レーザ光２をテーブル３上に載置固定されてなるガラス１に放射している状態を模式的に示すものであり、レーザ光２の光源４から出射されたレーザ光２は、集光光学系（集光レンズ）５に入射した後に徐々に集光され、最も集光された部位（フォーカス）２ａにより、ガラス１内部に光学的損傷が与えられる。こうしたガラス１内部に与えられた光学的損傷（ドット）を連続させることにより、図４に示すように、該ガラス１内部に、上記３次元座標データに対応したミクロ構造表示模型（エタノール水溶液の分子構造模型）６が造形される。
【００１９】
なお、このようなミクロ構造表示模型６をレーザ光２により造形する場合には、上記光源４から出射されたレーザ光２をｘ，ｙ，ｚ方向に駆動させる方法や、ガラス１を載置するテーブル３をｘ，ｙ，ｚ方向に駆動させる方法以外に、該レーザ光２を走査する図示しないガルバノスキャナを使用することができる。そして、何れの方法による場合であっても、レーザ光２のフォーカス２ａは、集光光学系５から最も離れた位置（図３中に示すガラス１の下面側）から徐々に該集光光学系５に近い方向（図３中に示すガラス１の上面側）に亘って造形する。
【００２０】
したがって、こうした造形方法により造形されたミクロ構造表示模型（エタノール水溶液の分子構造模型）６によれば、研究者等は、このミクロ構造表示模型６を肉眼によりあらゆる角度から観察することが可能であるに止まらず、図４に示すエタノール分子６ａと、このエタノール分子６ａに離間して存在する水分子６ｂも、従来の造形方法乃至は成形方法によるミクロ構造表示模型のように、本来物質の構成要素ではない支持体を設けることなく表現することができる。しかも、この造形方法によれば、従来の成形法による場合に比べて格段に安価に造形することができ、また、短時間に造形することができる。
【００２１】
なお、上述した実施の形態では、３次元座標データをＣＡＤデータに変換する際に、二つの変換ソフトウェア（プログラム）を使用したが、一つの変換ソフトウェアを使用したものであっても良いことは勿論、最終的に上記ＤＸＦデータに変換する以外に、ＩＧＥＳデータ又はＳＴＬデータ等に変換するものであっても良い。
【００２２】
【考案の効果】
前述した本考案の一実施の形態の説明からも明らかなように、本考案によれば、レーザ光の照射による光学的損傷により造形されたミクロ構造は、上記透明物質内に造形されているものであることから、原子や分子が互いに分離して存在する場合であっても、余分な要素を構成することがない。したがって、化学や材料系の研究分野又は教育分野において極めて有用な教材とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ミクロ構造表示模型の造形工程を示すフローチャートである。
【図２】３次元座標データによりＣＧで表現した場合における分子模型を示す説明図である。
【図３】レーザ光の照射によりガラス内に造形している状態を模式的に示す模式図である。
【図４】完成品であるミクロ構造表示模型を示す斜視図である。
【符号の説明】
１　　ガラス
２　　レーザ光
２ａ　　フォーカス
６　　ミクロ構造表示模型
６ａ　　エタノール分子
６ｂ　　水分子
【図１】
0003097637.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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