JP2002178175A - Microstructure display model and method of modeling the same - Google Patents

Microstructure display model and method of modeling the same

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JP2002178175A
JP2002178175A JP2000378636A JP2000378636A JP2002178175A JP 2002178175 A JP2002178175 A JP 2002178175A JP 2000378636 A JP2000378636 A JP 2000378636A JP 2000378636 A JP2000378636 A JP 2000378636A JP 2002178175 A JP2002178175 A JP 2002178175A
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data
microstructure
modeling
laser beam
transparent material
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Teruo Nagao
輝夫 長尾
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Cosmotec KK
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COSMO TECH KK
Cosmotec KK
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a novel microstructure display model which not only permits observation from all angles by naked dyes, makes the state observable as it is without constituting superfluous elements even when atoms and molecules exist separately and is exceedingly inexpensively modeled as compared with the conventional modeling method. SOLUTION: This microstructure display model is modeled by irradiating the inside of a transparent material 1 with a laser beam 2 and imparting optical damages to the inside of the transparent material 1. This modeling method has a three-dimensional data forming process step of forming three-dimensional data for displaying a microstructure on a display device connected to a computer, a data conversion process step of converting the three-dimensional data formed by the three-dimensional data process step to data for modeling readable by a laser beam machine and a modeling process step of imparting the optical damages to the inside of the transparent material by driving the laser beam machine with the converted data for modeling and irradiating the inside of the transparent material with the laser beam from the laser beam machine.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明が属する技術分野】本発明は、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
構造表示模型又はこのミクロ構造表示模型の造形方法に
関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a microstructure display model used in, for example, a research field or an education field of chemistry or a material system, and a method of forming the microstructure display model.

【0002】[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。
2. Description of the Related Art For example, in the field of research or education of chemistry or materials, a material design support system based on a molecular orbital method or a molecular mechanics method is used theoretically, and a simple substance, a compound, a Attempts have been made to construct the structure of substances such as liquids, liquids, solids, solutions, and amorphous materials and to theoretically elucidate them. The material design support system includes, for example, molecular / crystal modeling software based on the theory such as molecular orbital method and molecular mechanics method, molecular display software, simulation software based on molecular dynamics method and molecular Monte Carlo method, and molecular database. Etc.

【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。
When elucidating the structure of a substance, particularly the microstructure such as the structure of atoms and molecules, using the above-mentioned material design support system, a method for accurately expressing the shape and size of the atoms and molecules is used. Conventionally, such expression methods include replacing the spread of electrons and non-contact regions with other atoms and electrons with a sphere using a van der Waals radius, or inter-atomic A method has been adopted in which the distance is represented by a line or a bar, whereby the structure of the molecule is represented in three dimensions. For example, a molecular model such as a space filling model, a rod model, a ball-and-stick model, or a wire model has been conventionally employed as a method for expressing the shape and size of atoms and molecules. In addition to the method of expressing the structure of atoms and electrons by a material design support system based on the theory of the molecular orbital method and the molecular mechanics method, the latest microscopes (tunnel microscope (STM), scanning tunnel microscope (STM) , An atomic force microscope (AFM), etc.), the measurement data of the microstructure of the substance is transferred to a computer (to a display device connected to the computer main body) 3
There is also a method of reproducing the dimension.

【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。
[0004] Regardless of the method described above, the expression of the microstructure of a substance is displayed using computer graphics (CG) and is treated as a virtual object on a computer. It is not intended to be a substantive model. In other words, in the field of conventional research and education, it is considered that it is only necessary to be able to express the microstructure of a substance as a virtual object on a computer, and only the handling as CG data is considered.

【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。
[0005] However, in such a virtual expression method on a computer, in a research site or an educational site,
It is not enough to understand the microstructure of a substance because it is not an entity that can be observed from all directions with the naked eye.

【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。
Accordingly, as a method of observing the microstructure of such a substance with the naked eye, there is a method of forming a microstructure by processing a resin, glass, or the like. For example, a cutting method in which a resin, wood, or styrene foam is cut by cutting with a cutting tool, or a mold in which a space corresponding to a microstructure to be formed is formed, and a molten resin, There is a molding method in which gypsum or a low-melting metal is filled and cured, and an optical molding method in which a photocurable resin is cured by irradiating a laser beam to form the microstructure. According to the microstructure display model formed by such a shaping method, it becomes possible to visually observe the microstructure of a substance from all directions. In addition to the above molding methods, a molecular structure model comprising a sphere formed of expanded styrene and connecting rods connecting these spheres (Japanese Patent Laid-Open No. 8-202260), or a regular triangle, hexagon, or square A three-dimensional structural model of a molecule in which a plurality of plastic plates are connected to form a hollow tetrahedron or a hexahedron, and these are further connected by a plane (Japanese Patent Application Laid-Open No. H8-22244) has been proposed.

【0007】[0007]

【発明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、物質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。
However, the method of forming a molecular model by a processing method such as the above-mentioned cutting method, molding method, stereolithography method is extremely expensive,
Not only is it not suitable for mass production, but if atoms and molecules are present separately from each other, they must be separated from each other via a support such as a rod that is not a component of the material. The distance between the two substances cannot be maintained accurately. That is, in the microstructure display model formed by the above-described conventional method, there is an inherent limit since a plurality of substances cannot be suspended in the air. Also, Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 8-202260 and 8-22244 described above.
In the model disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open Publication No. H10-157, as in the case of the microstructure display model created by the above-described molding method, when atoms and molecules are present separately, the microstructure by the above-mentioned molding method cannot be accurately represented. In addition to having the same fundamental problems as the structural display model, a sphere or a plastic plate must be formed for each substance. Further, in the molecular model disclosed in the above publication, the actual molecular structure is different from the same combination of atoms in the intermolecular distance between atoms and the bond angle depending on each arrangement in the molecule, and cannot be accurately represented. Furthermore, even the same molecule cannot be accurately represented because the structure is different between a solid, a liquid, and a gas, and the molecule is distorted.

【0008】そこで、本発明は、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
造表示模型又はこのミクロ構造表示模型の造形方法を提
供することを目的とするものである。
Accordingly, the present invention has been proposed to solve the problems of the above-described conventional microstructure display model and the method of forming the microstructure display model, and is to be observed from all angles with the naked eye. Not only is possible, even if atoms and molecules are present separately, it is possible to observe the state as it is without forming extra elements, and in the case of the conventional molding method It is an object of the present invention to provide a novel microstructure display model or a method of forming the microstructure display model that can be formed at a significantly lower cost.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明は、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の発明(請
求項1記載の発明)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。
Means for Solving the Problems The present invention has been proposed to achieve the above object, and the first invention (the invention described in claim 1) relates to a microstructure display model. In addition, a microstructure is formed by irradiating a laser beam into the transparent material and causing optical damage to the transparent material.

【0010】この第1の発明において、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記載の発明)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。
In the first invention, the transparent substance is a natural ore such as quartz, quartz, or amethyst, a light-transmitting glass, or a light-transmitting resin. Described invention) can be used. As the resin, for example, an acrylic resin, a polyester resin, a polymethacrylic resin, or a composite resin thereof can be used. The laser light is
Solid-state lasers represented by YAG lasers and YLF lasers,
Further, a gas laser typified by the second harmonic, the third harmonic, and the excimer laser can be used. At least, when the transparent material is irradiated with the laser beam, optical damage occurs in the transparent material. Anything can be given as long as it can give.

【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。
Since the microstructure formed by the optical damage due to the laser light irradiation is formed in the transparent material, the microstructure is formed even when atoms and molecules are present separately from each other. , Can be expressed without constituting extra elements. That is, the microstructure
It can be observed from any angle with the naked eye as it is.

【0012】また、第2の発明(請求項2記載の発明)
は、上記第1の発明において、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。
Further, the second invention (the invention according to claim 2)
In the first invention, the laser beam is driven according to modeling data obtained by converting three-dimensional coordinate data created for displaying a microstructure through a conversion program. Is what you do.

【0013】この第2の発明において、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
(Reseach Collaboratory fo
r StructualBioinformatic
s)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(C
G)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:ConputerAided Manu
facturing)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、Molecu
lar Simulation社のWebLab Vi
ewerLite(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 R
eality 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3
D System社のSTL形式のデータに変換する方
法がある。
In the second invention, the three-dimensional coordinate data created for displaying the microstructure includes, for example,
Types of atoms such as carbon (C), hydrogen (H), nitrogen (N),
It refers to data such as charge of atoms, bond information between atoms, x, y, and z coordinate values of atoms. Note that these three-dimensional coordinate data can be obtained from, for example, Brookhaven National Laboratory or RCSB.
(Research Collaborative fo
r Structural Bioinformatic
s) PDB (Protein Data Bank)
Format data can be used. In addition, these 3
The dimensional coordinate data is calculated using computer graphics (C
According to G), since the data format is to be displayed on a display device (monitor) connected to the computer main body, it is converted into modeling data via a program (software). This modeling data is stored in a CAD (computer-aided design drafting system: Computer).
Aided Design (CAM) and CAM (Computer Aided Production: Computer Aided Manu)
factoring) data (for example, DXF (Drawing Interchange)
File) format data, or STL (Stereolithography) of 3D System Co., Ltd.
The data is in the form of an interface format). Specifically, the shaping data is read by a laser processing apparatus, and a laser beam is emitted into the transparent material according to the data. When converting the three-dimensional coordinate data (for example, the data in the PDB format) into the data in the DXF format or the data in the STL format,
As the above conversion program, molecular display software of a material (substance) design support system (for example, Molecu)
lar Simulation WebLab Vi
The above various molecular model representations are converted to VRML (VirtualR) using the newerLite (trademark software).
ease Modeling Language)
The data is converted into data in a format, and further converted by a conversion software (for example, 3D Studio Max software of Autodesk) into a DXF format for modeling or the above 3D format.
There is a method of converting the data into D System STL format data.

【0014】この発明では、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。
According to the present invention, since the three-dimensional coordinate data created to display the microstructure is used, the microstructure display model has extremely high accuracy.

【0015】また、第4の発明(請求項4記載の発明)
は、ミクロ構造表示模型の造形方法に係るものであっ
て、コンピュータに接続された表示装置にミクロ構造を
表示するための3次元データを作成する3次元データ作
成工程と、この3次元データ作成工程により作成された
3次元データを、レーザ加工装置により読み取られる造
形用データに変換するデータ変換工程と、このデータ変
換工程により変換された造形用データにより、上記レー
ザ加工装置を駆動させ、透明物質内に該レーザ加工装置
からのレーザ光を照射させ、該透明物質内に光学的損傷
を与える造形工程と、を備えてなることを特徴とするも
のである。
The fourth invention (the invention according to claim 4)
The present invention relates to a method for forming a microstructure display model, comprising: a three-dimensional data creation step of creating three-dimensional data for displaying a microstructure on a display device connected to a computer; and a three-dimensional data creation step. A data conversion step of converting the three-dimensional data created by the laser processing apparatus into modeling data read by the laser processing apparatus; and driving the laser processing apparatus by the modeling data converted by the data conversion step, thereby forming a transparent material. And a molding step of irradiating the transparent material with laser light to cause optical damage to the transparent material.

【0016】なお、上記3次元データ作成工程は、前述
したPDBからインターネットを介してコンピュータに
内蔵され又はコンピュータ本体に接続された記録媒体に
記録する工程を含むとともに、該PDBから入手したデ
ータを組み合わせたり、削除する等の加工工程も含む。
The above-mentioned three-dimensional data creation step includes a step of recording the above-mentioned PDB on a recording medium built in the computer or connected to the computer main body via the Internet, and combining the data obtained from the PDB. Processing steps such as deleting or deleting.

【0017】[0017]

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態に係
るミクロ構造表示模型の造形方法について、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、本発明を適用したものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a method for forming a microstructure display model according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the embodiment described below, the present invention is applied to a method of forming a microstructure display model of an aqueous ethanol solution (hereinafter, referred to as a main forming method) as an example of a microstructure.

【0018】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、材料設計支援システム(例えば、Hyp
ercubu社のHyperCem(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ュミレーションした結果をRC
SB(Reseach Collaboratory
for Structual Bioinformat
ics)のPDB(Protein Data Ban
k)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。
First, as shown in FIG.
Create or obtain three-dimensional coordinate data of a micro model of an ethanol aqueous solution as a final product (three-dimensional data creation step). The three-dimensional coordinate data is obtained from the carbon (C), hydrogen (H), and oxygen (O) atoms constituting the aqueous ethanol solution.
, Information on the charge of each atom, information on the bond between atoms, x, y, z coordinate values of the atoms, etc., and a material design support system (for example, Hyp).
placing water molecules around the ethanol molecules using ercubu's HyperCem ™ software;
The result of simulation by molecular dynamics calculation
SB (Research Collaboratory)
for Structural Bioinformat
ics) 's PDB (Protein Data Ban)
k) Save as format data. When the ethanol aqueous solution is displayed on a display device (monitor) connected to the computer main body using computer graphics (CG) based on such three-dimensional coordinate data, FIG.
become that way.

【0019】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 M
odeling 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Mole
cular 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 Ma
x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。
When the above-described three-dimensional coordinate data is created or obtained, as shown in FIG. 1, the three-dimensional coordinate data is converted into VRML (Virtual Reality M) by a first conversion software (program).
modeling language) data. This first conversion software is Mole, which is molecular display software of a material (substance) design support system.
Web Lab from cultural Simulation
Use ViewLite ™. When the operation of converting the three-dimensional coordinate data into VRML data is completed by the first conversion software, the VRML data is then converted into CAD data by the second conversion software. This second conversion software is 3D Studio Ma from Autodesk
The second conversion software converts the VRML data into data in a modeling DXF format or the like.

【0020】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D
XF形式等のデータに変換し、次いで、この造形用DX
F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。
Then, the three-dimensional coordinate data is
By the first and second conversion software, the molding D
Convert it to data in XF format, etc.
Using a data of F format or the like, the data is read into a computer main body connected to a laser processing device (not shown), and a transparent glass 1 is irradiated with a laser beam 2 as shown in FIG. FIG. 3 schematically shows a state in which the laser light 2 is emitted to the glass 1 mounted and fixed on the table 3. The laser light 2 emitted from the light source 4 of the laser light 2 is: After being incident on the condensing optical system (condensing lens) 5, the light is gradually condensed and the most condensed portion (focus) 2a causes optical damage inside the glass 1. By continuing such optical damage (dots) given to the inside of the glass 1, as shown in FIG. 4, a microstructure display model (molecules of an aqueous ethanol solution) corresponding to the three-dimensional coordinate data is provided inside the glass 1. Structural model) 6
Is formed.

【0021】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。
When such a microstructure display model 6 is formed by the laser beam 2, a method of driving the laser beam 2 emitted from the light source 4 in the x, y, and z directions, or a method of driving the glass 1 In addition to the method of driving the table 3 to be placed in the x, y, and z directions, a galvano scanner (not shown) that scans the laser beam 2 can be used. In either case, the focus 2a of the laser light 2 is gradually shifted from the position farthest from the condensing optical system 5 (the lower surface side of the glass 1 shown in FIG. 3). The molding is performed over a direction close to 5 (the upper surface side of the glass 1 shown in FIG. 3).

【0022】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。
Therefore, according to the microstructure display model (molecular structure model of an aqueous ethanol solution) 6 formed by such a forming method, researchers and the like can observe the microstructure display model 6 with the naked eye from all angles. Not only possible, but also the ethanol molecule 6a shown in FIG.
In addition, the water molecules 6b which are separated from the ethanol molecules 6a should be expressed without providing a support which is not a constituent element of the substance as in the case of the microstructure display model by the conventional molding method or molding method. Can be. Moreover, according to this shaping method, the shaping can be performed at a much lower cost than in the case of the conventional forming method, and the shaping can be performed in a short time.

【0023】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。
In the above-described embodiment, two conversion software (programs) are used to convert three-dimensional coordinate data into CAD data. However, one conversion software may be used. Of course,
Finally, besides converting to DXF data, IGES
Data or STL data may be converted.

【0024】[0024]

【発明の効果】前述した本発明の一実施の形態の説明か
らも明らかなように、本発明によれば、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。
As is clear from the above description of one embodiment of the present invention, according to the present invention, a microstructure formed by optical damage due to irradiation of a laser beam is embedded in the transparent material. Since it is formed, even if atoms and molecules are present separately from each other, they do not constitute extra elements. Therefore, it can be a very useful teaching material in the field of research or education in chemistry or materials.

【0025】さらに、本発明に係るミクロ構造表示模型
の造形方法によれば、従来の切削加工法,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に
よる場合に比べ、はるかに安価で製造することができる
とともに、短時間に製造することができる。そして、3
次元座標データとして、前述したPDB(Protei
n Data Bank)データを使用する場合には、
理論に基づいた正確なミクロ構造表示模型とすることが
でき、研究分野や教育分野において、物質のミクロ構造
を理解する上で、より一層学術的に有用な教材として使
用することができる。
Further, according to the method of forming a microstructure display model according to the present invention, a conventional cutting method, molding method,
Compared to the case where a molecular model is formed by a processing method such as a stereolithography method, it can be manufactured at a much lower cost and can be manufactured in a short time. And 3
As the dimensional coordinate data, the PDB (Protei
n Data Bank) data,
It can be used as an accurate microstructure display model based on theory, and can be used as a more academically useful teaching material for understanding the microstructure of materials in the field of research and education.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【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。
FIG. 1 is a flowchart showing a forming process of a microstructure display model.

【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。
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a molecular model when represented by CG using three-dimensional coordinate data.

【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。
FIG. 3 is a schematic diagram schematically showing a state in which glass is formed by irradiation with laser light.

【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。
FIG. 4 is a perspective view showing a microstructure display model as a completed product.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

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 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Glass 2 Laser beam 2a Focus 6 Microstructure display model 6a Ethanol molecule 6b Water molecule

─────────────────────────────────────────────────────
────────────────────────────────────────────────── ───

【手続補正書】[Procedure amendment]

【提出日】平成12年12月19日(2000.12.
19)
[Submission date] December 19, 2000 (200.12.
19)

【手続補正1】[Procedure amendment 1]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0007[Correction target item name] 0007

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【0007】[0007]

【発明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,成形加工法,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。
However, the method of forming a molecular model by the above-mentioned processing methods such as the cutting method, the forming method, and the stereolithography method is extremely expensive.
Not only is it not suitable for mass production, but if atoms and molecules are present separately from each other, they must be separated from each other via a support such as a rod that is not a component of the material. The distance between the two substances cannot be maintained accurately. That is, in the microstructure display model formed by the above-described conventional method, there is an inherent limit since a plurality of substances cannot be suspended in the air. Also, Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 8-202260 and 8-22244 described above.
In the model disclosed in Japanese Patent Application Publication No. JP-A-2005-115, as in the case of the microstructure display model created by the above-described molding method, when atoms and molecules are present separately, in that they cannot be accurately represented, It has the same essential problems as the microstructure display model, and has to form a sphere or a plastic plate for each atom . Further, in the molecular model disclosed in the above publication, the actual molecular structure is different from the same combination of atoms in the intermolecular distance between atoms and the bond angle depending on each arrangement in the molecule, and cannot be accurately represented. Furthermore, even the same molecule cannot be accurately represented because the structure is different between a solid, a liquid, and a gas, and the molecule is distorted.

【手続補正2】[Procedure amendment 2]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0013[Correction target item name] 0013

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【0013】この第2の発明において、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
(Reseach Collaboratory f
or Structual Bioinformat
ics)のPDB(Protein DataBan
k)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:Coputer Aided Ma
nufacturing)データ(例えば、オートデス
ク社のDXF(Drawing Interchang
e File)形式のデータ、或いは、スリーディーシ
ステム社のSTL(Stereolithograph
y 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、Mol
ecular 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(Virtua
l Reality Modeling Langua
ge)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 M
ax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。
In the second invention, the three-dimensional coordinate data created for displaying the microstructure includes, for example,
Types of atoms such as carbon (C), hydrogen (H), nitrogen (N),
It refers to data such as charge of atoms, bond information between atoms, x, y, and z coordinate values of atoms. Note that these three-dimensional coordinate data can be obtained from, for example, Brookhaven National Laboratory or RCSB.
(Resea r ch Collaboratory f
or Structu r al Bioinformat
ics) PDB (Protein DataBan)
k) format data can be used. Since such three-dimensional coordinate data is in a data format to be displayed on a display device (monitor) connected to the computer main body by computer graphics (CG), the data is formed through a program (software). Is converted to data for use. This modeling data is stored in a CAD (computer-aided design drafting system: Computer).
Aided Design) data and CAM (computer-aided production: Co m puter Aided Ma
nufacturing) data (for example, DXF (Drawing Interchange) from Autodesk.
e File) format data, or STL (Stereolithography) from 3D Systems Inc.
y Interface Format) data. Specifically, the laser processing apparatus reads the shaping data, and emits a laser beam into the transparent material according to the data. Note that the DXF is converted from the three-dimensional coordinate data (for example, the data in the PDB format).
In the case of converting the data into the data in the STL format or the data in the STL format, as the conversion program, molecular display software (for example, Mol
ecoSimulation's WebLab
The various molecular model representations described above were converted to VRML (Virtua) using ViewLite (trademark software).
l Reality Modeling Langua
ge) format, and further converted software (for example, Autodesk 3D Studio M)
ax software), there is a method of converting the data into the DXF format for modeling or the STL format data of 3D System.

【手続補正3】[Procedure amendment 3]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0018[Correction target item name] 0018

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【0018】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、材料設計支援システム(例えば、Hyp
ercub社のHyperCem(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(Reseach Collaborato
ry for Structual Bioinfo
rmatics)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。
First, as shown in FIG.
Create or obtain three-dimensional coordinate data of a micro model of an ethanol aqueous solution as a final product (three-dimensional data creation step). The three-dimensional coordinate data is obtained from the carbon (C), hydrogen (H), and oxygen (O) atoms constituting the aqueous ethanol solution.
, Information on the charge of each atom, information on the bond between atoms, x, y, z coordinate values of the atoms, etc., and a material design support system (for example, Hyp
The water molecules were placed around the ethanol molecules using Ercub e's HyperC h em (TM) software), RCSB the results of simulation by molecular dynamics simulation (Resea r ch Collaborato
ry for Structure r al Bioinfo
rdatas) PDB (Protein Data)
(Bank) format data. When the ethanol aqueous solution is displayed on a display device (monitor) connected to the computer body using computer graphics (CG) based on such three-dimensional coordinate data, the result is as shown in FIG.

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【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。
1. A microstructure display model characterized in that a microstructure is formed by irradiating a transparent substance with a laser beam and causing optical damage to the transparent substance.
【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
ことを特徴とするミクロ構造表示模型。
2. The microstructure display according to claim 1, wherein the laser beam is driven in accordance with modeling data obtained by converting three-dimensional coordinate data created for displaying a microstructure through a conversion program. model.
【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2記載のミク
ロ構造表示模型。
3. The microstructure display model according to claim 2, wherein the transparent material is made of a transparent glass or resin.
【請求項4】 コンピュータに接続された表示装置にミ
クロ構造を表示するための3次元データを作成する3次
元データ作成工程と、 この3次元データ作成工程により作成された3次元デー
タを、レーザ加工装置により読み取られる造形用データ
に変換するデータ変換工程と、 このデータ変換工程により変換された造形用データによ
り、上記レーザ加工装置を駆動させ、透明物質内に該レ
ーザ加工装置からのレーザ光を照射させ、該透明物質内
に光学的損傷を与える造形工程と、 を備えてなることを特徴とするミクロ構造表示模型の造
形方法。
4. A three-dimensional data creation step for creating three-dimensional data for displaying a microstructure on a display device connected to a computer, and laser processing the three-dimensional data created in the three-dimensional data creation step. A data conversion step of converting the data into modeling data read by the apparatus, and the laser processing apparatus is driven by the modeling data converted by the data conversion step, and the transparent material is irradiated with laser light from the laser processing apparatus. A process of causing optical damage in the transparent material.
【請求項5】 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4記載のミク
ロ構造表示模型の造形方法。
5. The method according to claim 4, wherein the transparent material is made of glass or resin having transparency.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN106735867A (en) * 2017-01-16 2017-05-31 福州大学 FSS radomes processing method and processing unit (plant) based on multiple degrees of freedom laser robot

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