JP2007237008A - 破砕方法及び破砕装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 試料の破砕を電池電源でも動作可能とする破砕方法及び破砕装置を提供する。
【解決手段】 着磁した破砕媒体Ｂと被破砕物Ｃを収容した円筒容器Ａの外周回りで直径方向に着磁した永久磁石１２を自転させながら公転させると共に、円筒軸方向に往復移動させる。破砕媒体Ｂは円筒容器Ａ内で自転運動しながら公転運動して被破砕物Ｃを摩砕する。更に、破砕媒体Ｂが上下に往復運動することにより、被破砕物Ｃを圧砕することができるので、摩砕と圧砕により被破砕物Ｃの破砕が効果的になされる。
【選択図】 図５

Description

本発明は、検査あるいは分析するための試料を破砕するための破砕方法及び破砕装置に関し、特に、生体試料の細胞破砕や乳化、均質化などの破砕処理を商用電力の供給が得られない場所でも実施することを可能にした破砕方法及び破砕装置に関するものである。

例えば、生体試料をＤＮＡ分析等に供するためには、動物や植物などの細胞を破砕する前処理が必要となる。その破砕方法として、超音波による破砕、圧力による破砕、ビーズなどの破砕媒体を用いた振動破砕などを行う破砕装置が用いられている。また、ＢＳＥ検査などの検査作業においては、試料を破砕して乳化あるいは均質化する前処理が必要であり、容器内に挿入したペッスルをモータにより回転させるホモジナイザなどの攪拌装置が用いられている。

被破砕物中の細胞膜を破砕して細胞小器官を取り出すには、攪拌装置によって被破砕物を単に攪拌するだけでは満足な結果は得られない。乳鉢−乳棒で被破砕物を摩砕及び圧砕するような動作を伴うことにより、軟質から硬質の被破砕物あるいは繊維質の被破砕物の破砕処理を行うことができる。これを機械的に実施できるようにしたのが前述した振動破砕であり、被破砕物と破砕媒体とを収容した円筒容器に振動を加えることにより破砕媒体が円筒容器中で激しく動き回るので、被破砕物は破砕媒体によって破砕される。

この振動破砕による細胞破砕装置は、図１６に示すように、モータにより回転駆動される駆動軸１０２の回転軸方向に対して傾斜した角度に固定された傾斜軸部１０４に相対回転自在に環状体１０５を外嵌させ、この環状体１０５に取り付けられた環状保持体１０３に被破砕物及び破砕媒体１０１を収容した円筒容器１００を固定して破砕処理するように構成されている。駆動軸１０２をモータにより回転駆動することにより、対極磁石１０６，１０７によって回転が拘束された環状体１０５は円周方向及び上下方向に往復振動する。この環状体１０５の往復振動により環状保持体１０３に固定された円筒容器１００は上下左右に往復振動するので、円筒容器１００内の破砕媒体１０２が激しく動き回り、円筒容器１００が乳鉢、破砕媒体１０１が乳棒のように作用して被破砕物が摩砕及び圧砕される（特許文献１参照）。

しかしながら、前記細胞破砕装置は比較的大きな駆動電力を必要とするため、商用電力の供給が得られない屋外や恒温槽のような電力配線のない空間内では使用することができない。

商用電力など比較的大きな電力源を必要とすることなく、被破砕物を人力により破砕処理することを可能にする従来技術として、被破砕物を凍結処理して破砕容器内に投入し、それに破砕錘を投入した破砕容器を手動により振動させ、破砕錘により凍結した被破砕物を破砕する凍結試料破砕用容器が知られている（特許文献５参照）。

この凍結試料破砕用容器は、図１７に示すように、凍結処理した被破砕物と破砕錘１２２とを投入した破砕容器１２１をマガジン１２４に収納し、このマガジン１２４を外ケース１２５に入れて手動で振り、凍結された被破砕物を破砕錘１２２で破砕するように構成されている。凍結処理された被破砕物は破壊されやすくなっているので、手動で破砕処理することが可能であり、破砕容器１２１、マガジン１２４、外ケース１２５を透明材料で形成することにより、破砕状態を観察しながら破砕処理できる。

また、被破砕物を収容した円筒容器にモータにより回転駆動されるペッスルを挿入して被破砕物を攪拌し、均質化あるいは細胞破砕する試料加工方法が知られている（特許文献３参照）。この試料加工方法は、図１８に示すように、容器１３１内に先端が複数に分割されたペッスル１３５を挿入し、ペッスル１３５をモータによって回転駆動する。ペッスル１３５の先端分割部分は容器１３１内に収容された被破砕物１３２を挟みつけるので、被破砕物１３２が溶液１３４中から浮き上がることが防止され、被破砕物１３２を効率よく微細化することができるとしている。

同じくペッスルを用いた細胞破砕手段として、図１９に示すように構成された試料破砕具が提案されている（特許文献４参照）。この試料破砕具は、図示するように、細長い棒状部材１４０の先端に切り込みにより複数の爪１４５を形成した中空の筒状部材１４１が嵌挿されている。この試料破砕具を被破砕物を収容した円筒容器中に挿入し、棒状部材１４０を上下動及び回転させることにより、上下動により粗く破砕された被破砕物は回転により複数の爪１４５の間の切り込みから放射状に噴出して被破砕物が破砕される。

上記ペッスルを用いた２例の細胞破砕方法では、ペッスルを回転させて破砕するので、ペッスルの回転駆動源であるモータを電池電源で駆動することができ、商用電力が得られない場所でも破砕処理を行うことができる。
特開２００４−３１３９６６号公報 実用新案登録３０８６５３９号公報 特開２０００−３３３６６９号公報 特開２００３−３１５２２３号公報

しかしながら、上記従来技術における振動破砕方式による細胞破砕装置は、激しく往復振動する環状保持体から円筒容器が脱落しないように、円筒容器を環状保持体に強固に固定する必要があり、破砕処理するために円筒容器を細胞破砕装置に着脱する作業が面倒で、分析等の一連の作業効率を低下させている。また、回転しようとする環状保持体を対極磁石の吸着力で拘束するなど、機械的に無理が加わる要素が多く、耐久性や騒音発生の問題があり、小型化することができない。

また、比較的大きな駆動電力が必要なので、商用電力が得られない屋外や恒温槽内などで破砕処理を行うことができない。また、破砕装置は比較的大型の装置であるため、被破砕物を細胞破砕装置が設置された場所に持ち込んで破砕処理する必要があり、分析等を行う場所とその前処理を行う場所と間で移動が伴う非効率な作業となる。また、試料の採取現場で細胞破砕の必要が生じても、それを実施することは困難である。手動あるいは電池電源による駆動により破砕処理が実施できる破砕装置が要求される。

上記従来技術における凍結試料破砕用容器は、被破砕物に加える圧縮力が小さいため、被破砕物が破砕されやすい凍結状態にすることを前提としているため、液体窒素による凍結処理のための設備が必要であり、手動で破砕処理できるものの屋外で使用することは困難である。また、破砕処理するために大きな労力を要する課題がある。

また、上記従来技術におけるペッスルを用いた破砕方法は、試料の乳化や均質化を行うための攪拌用途には好適であるが、破砕能力が小さいため、繊維質の試料や硬い試料に対して細胞破砕などを行う際にはビーズなどの破砕媒体を併用する必要がある。また、コンタミネーションを避けるために、１つの円筒容器に処理を実施する毎にペッスルを取り替える必要があり、容器の開口部は開放された状態で破砕処理を行うため、異物混入しやすく、クリーンルームなどの清浄空間内で作業することが求められる。従って、屋外での作業は異物混入の恐れがあるため難がある。

商用電力などが得られない屋外での動力源として電池を電源とすることが考えられるが、前述した振動破砕方式による細胞破砕装置を電池電源により駆動することは不可能であり、ペッスルを用いたものは電池電源による駆動が可能であるものの、前述したように屋外での使用には異物混入の恐れがある。また、容器内に収容された破砕媒体を外部磁界により運動させて容器内に収容した液体や粉体などを攪拌、混練する攪拌装置の類は多数の提案がなされているが、被破砕物を摩砕及び圧砕する能力は得られない。

本発明が目的とするところは、大きな駆動電力が得られない屋外においても有効な破砕能力が発揮できるようにした破砕方法及び破砕装置を提供することにある。

上記目的を達成するための本願第１発明に係る破砕方法は、強磁性体を主体として形成された破砕媒体を円筒容器に収容し、円筒容器の外部に配した永久磁石により前記破砕媒体を円筒容器の上方に上昇移動させ、上昇位置から円筒容器の底部に向けて急速に下降移動させる動作を繰り返すことにより、円筒容器中に収容した被破砕物を破砕することを特徴とする。

上記破砕方法によれば、永久磁石による磁気吸引力により円筒容器の上方に上昇移動させた破砕媒体を円筒容器の底部側に急速に下降移動させると、底部側にある被破砕物は下降移動してきた破砕媒体により圧縮される。この破砕媒体の圧縮作用の繰り返しによる杵搗き運動により被破砕物は圧砕される。

また、本願第２発明に係る破砕方法は、強磁性体を主体として形成された破砕媒体を円筒容器に収容し、前記破砕媒体を円筒容器の外周回りで回転する永久磁石により回転させると共に、破砕媒体を永久磁石により円筒容器の上方に上昇移動させ、上昇位置から円筒容器の底部に向けて急速に下降移動させる動作を繰り返すことにより、円筒容器中に収容した被破砕物を破砕することを特徴とする。

上記破砕方法によれば、破砕媒体が繰り返し被破砕物に圧縮を加える杵搗き運動により被破砕物を圧砕する作用に加え、破砕媒体が回転することによる擂り粉木運動により被破砕物を摩砕する作用が得られる。破砕媒体を回転させながら所要の間隔で破砕媒体を上昇移動させて底部側に下降移動させると、圧砕及び摩砕の相乗効果で被破砕物を効果的に破砕することができる。

上記各破砕方法において、着磁した破砕媒体を用いることにより、永久磁石との間で磁気吸引力だけでなく磁気反発力を利用することが可能となり、破砕媒体の運動を多様化することができる。

また、破砕媒体の下降移動は、永久磁石を円筒容器底部側に向けて急速移動させることにより、被破砕物により大きな圧縮力を加えることができる。

また、破砕媒体の下降移動は、上昇位置において永久磁石からの吸引力が解除された破砕媒体の自然落下により被破砕物に圧縮力を加えることができる。この自然落下は破砕媒体の質量が大きいときに有効であるが、破砕媒体の質量が小さい場合には、円筒容器の底部に磁気吸引力を印加することにより、被破砕物に対する破砕媒体の衝突圧力を増加させることができる。

円筒容器の底部に対する磁気吸引力の印加は、自然落下による場合以外でも破砕媒体の被破砕物への衝突圧力の増加に有効である。

また、破砕媒体の上昇移動及び下降移動は、円筒容器の底部側に配した永久磁石の磁極反転により着磁した破砕媒体に与える磁気反発力又は磁気吸引力によっても実現することができる。永久磁石の磁極反転は、永久磁石を回転させることによって容易に実現できる。また、破砕媒体を回転させるときに磁気吸引力を円筒容器の底部に作用させると、破砕媒体を底部に引き付ける作用が及ぶので、摩砕効果を増加させることができる。

また、破砕媒体の回転は、自転運動させながら円筒容器の内周に沿って公転運動させるのが好適で、破砕媒体を着磁することにより自転運動を容易に行わせることができる。

また、円筒容器の開口部を閉じる蓋体の外部に印加する吸引磁界により円筒容器の蓋体側に移動させた破砕媒体を蓋体の内側に磁気吸着し、蓋体の円筒容器からの取り外しと共に破砕媒体を円筒容器外に取り出すことにより、破砕処理後には邪魔な存在になる破砕媒体を蓋体の取り外しと同時に外部に取り出すことができる。

また、本願第３発明に係る破砕装置は、強磁性体を主体として形成された破砕媒体と試料とを収容した円筒容器に対し、その高さ方向と永久磁石との相対高さ位置を変化させる磁石相対位置変化手段を備えてなることを特徴とする。

上記破砕装置によれば、磁石相対位置変化手段により円筒容器の高さ方向に対する永久磁石の位置を変化させると、強磁性体を主体として形成された破砕媒体は永久磁石の磁気吸引力によって円筒容器内で高さ方向に移動する。永久磁石により上昇移動させた破砕媒体を円筒容器の底部側に急激に移動させると、円筒容器の底部に在る被破砕物に衝突して圧縮力を加えるので、上昇移動させた破砕媒体を円筒容器の底部に衝突させる杵搗き運動を繰り返すことにより、被破砕物は圧砕される。

また、本願第４発明に係る破砕装置は、強磁性体を主体として形成された破砕媒体と試料とを収容した円筒容器に対し、その外周回りで永久磁石を回転させる磁石回転駆動手段と、前記永久磁石と円筒容器の円筒軸方向との相対位置を変化させる磁石相対位置変化手段とを備えてなることを特徴とする。

上記破砕装置によれば、破砕媒体は磁石回転駆動手段による永久磁石の円筒容器外周回りの回転に追従して回転する擂り粉木運動により被破砕物は摩砕され、磁石相対位置変化手段による永久磁石の昇降移動に追従して上昇移動した破砕媒体が急激に下降移動する杵搗き運動により被破砕物は圧砕される。この圧砕作用と摩砕作用とにより被破砕物は効率よく破砕される。

また、本願第５発明に係る破砕装置は、強磁性体を主体として形成された破砕媒体と試料とを収容した円筒容器に対し、その外周回りに配した複数の永久磁石と、この永久磁石と円筒容器との間に配置された開口部を有する磁気遮蔽筒と、この磁気遮蔽筒を回転させる磁気遮蔽筒回転駆動手段とを備えてなることを特徴とする。

上記破砕装置によれば、開口部を有する磁気遮蔽筒を回転させることにより、円筒容器の外周回りに配した複数の永久磁石の配設位置に開口部が順に位置して磁気透過させるので、永久磁石を外周回りで回転させた場合と同様の作用が得られ、破砕媒体を回転させることができる。複数の永久磁石は隣り合う間で円筒容器側に向く磁極が互いに異なるように配置し、破砕媒体を着磁したものを用いることにより、破砕媒体に自転運動を生じさせると同時に公転運動を生じさせるので、破砕媒体による摩砕効果を増大させることができる。

上記第５発明に係る破砕装置において、複数の永久磁石は、円筒容器の円筒軸方向に長く形成され、磁気遮蔽筒を円筒軸方向に往復移動させる磁気遮蔽筒移動手段を設けて構成することにより、磁気遮蔽筒の円筒軸方向の移動により磁気遮蔽筒に形成された開口部も移動するので、破砕媒体を上昇移動させることができ、摩砕作用に加えて圧砕の作用を与えることができる。

また、第３及び第４発明に係る破砕装置において、磁石相対位置変化手段は、所定位置に静止した円筒容器の高さ方向に永久磁石を移動させる昇降移動機構に構成することにより、永久磁石の円筒容器の円筒軸方向への移動により破砕媒体を昇降移動させることができる。

また、磁石相対位置変化手段は、所定高さ位置に静止した永久磁石に対し、円筒容器を昇降移動させる昇降移動機構に構成することにより、破砕媒体を円筒容器中で昇降移動する状態を得ることができる。

また、上昇位置に移動させた破砕媒体に対する永久磁石からの磁気吸引作用を解除する磁気印加解除手段を設けて構成することにより、上昇移動させた破砕媒体に対する磁気吸引力を解除して落下させることができ、破砕媒体が落下して被破砕物に衝突することによる圧砕作用を得ることができる。

また、円筒容器の底部側に磁界を印加する底部磁界印加手段を設けて構成することにより、上昇位置から落下してきた破砕媒体が被破砕物に衝突する加速度を増して圧砕作用を増加させることができる。また、回転により被破砕物を摩砕している破砕媒体に底部側への磁気吸引力を加えると、摩砕作用を増加させることができる。

また、磁気回転駆動手段は、永久磁石をその磁極が反転するように自転運動させながら公転運動させる自公転駆動機構として構成することにより、着磁した破砕媒体に自転運動しながら公転運動する作用を与えることができ、被破砕物を摩砕する効果を増大させることができる。

また、破砕媒体は、強磁性体を主体として形成しているので着磁することができ、永久磁石との間で磁気吸引力だけでなく磁気反発力を利用することが可能となり、破砕媒体の運動を多様化することができる。

また、破砕媒体は、円筒容器の内径より小さい直径の円柱形で、その下端形状が円筒容器の内底面形状に対応する形状に形成することにより、摩砕及び圧砕の作用が及ぶ面積を大きくすることができる。

また、破砕媒体は、その内部空間に蓄冷材を封止した蓄冷構造に形成することにより、予め破砕媒体を冷却して蓄冷材を冷却又は凍結させておくと、破砕媒体に直接接する被破砕物を効果的に冷却することができ、破砕に伴う温度上昇により被破砕物に変質が生じることを防止することができる。

本発明によれば、破砕媒体を上昇位置から円筒容器の底部に在る被破砕物に衝突させることを繰り返す杵搗き運動により円筒容器内に収容した被破砕物を圧砕することができ、更に円筒容器内で破砕媒体を回転させることによる擂り粉木運動を加えることにより被破砕物を摩砕することができる。この破砕媒体の運動を被破砕物の種類に応じて単独又は組み合わせることにより、軟質、硬質あるいは繊維質の被破砕物を効果的に破砕することができる。また、破砕媒体を運動させる磁気駆動源として永久磁石を用いているので、大きな電力消費がなく、電池電源による駆動や手動による駆動も可能なので、被破砕物の採取現場や商用電力が得られない場所でも破砕処理を実施することが可能となる。

本発明に係る破砕方法は、遠心チューブやサンプルチューブなどと称される汎用チューブである円筒容器内に破砕媒体を収容し、円筒容器の外部から印加する磁界により強磁性体を主体として形成された破砕媒体または着磁した破砕媒体を円筒容器内で上下運動及び／又は回転運動させ、この破砕媒体の運動により円筒容器内に収容した被破砕物を破砕するものである。

容器内に収容した強磁性体あるいは着磁体を外部磁界により運動させるものは、液体、粉体や溶融体を攪拌する攪拌装置として周知のところであるが、軟質の被破砕物なら長時間の攪拌や攪拌方法によって破砕が可能となる場合があっても、骨や歯などの硬質の被破砕物や植物など繊維質の被破砕物を攪拌装置で破砕することはできない。まして、ＤＮＡ分析等に供する試料のように、細胞膜を破壊して細胞小器官を取り出す細胞破砕に攪拌装置を適用することはできない。細胞破砕は、実験レベルにおいては、乳鉢−乳棒で実際に行われているが、あまりに非効率で、常に異物が混入する危険性を孕んでいる。

前記乳鉢−乳棒による細胞破砕に似た動作を機械的に実施するものが背景技術に示した振動破砕方式による破砕装置であるが、前述したように様々な課題があり、比較的大きな電力消費を伴うため、商用電力などの供給が得られない屋外などでは破砕処理が実施できない。本発明に係る破砕方法は、円筒容器中に収容した破砕媒体を磁気駆動する磁界発生源として永久磁石を用いたことと特徴としているため、永久磁石を動かすためのモータなどに電力消費が生じるだけなので、電池電源での運転が可能であり、モータに代えて機械的駆動操作を手動で行えば無電力での破砕も可能となる。

破砕媒体の運動により被破砕物を破砕するには、被破砕物を叩き潰す圧縮力を与える圧砕作用を加えることが効果的で、これに被破砕物を磨り潰す摩砕作用を組み合わせると、より効果的な破砕処理を行うことができる。

図１（ａ）（ｂ）は、前記圧砕作用により被破砕物Ｃを破砕する破砕装置の第１の実施形態を示すものである。破砕媒体Ｂと被破砕物Ｃとを収容した円筒容器Ａを挿入する容器収容筒５は、上部開放の円筒形に形成され、その外周面に沿って永久磁石１を昇降駆動機構（磁石相対位置変化手段）９によって昇降移動させるように構成されている。前記昇降駆動機構９は、図示しないモータによって駆動されるクランク構造、カム構造などによって構成することができる。

図１（ａ）において、昇降駆動機構９によって永久磁石１を円筒容器Ａの上方側に向けて上昇移動させると、永久磁石１の磁気吸引力によって強磁性体を主体として形成された破砕媒体Ｂも上昇移動する。昇降駆動機構９は永久磁石１を上昇限度位置に移動させると、下降移動に転じて永久磁石１を下降移動させる。永久磁石１を下降移動させる速度は上昇移動速度より速く、図示するように、円筒容器Ａの底部より下方の下降限度位置まで永久磁石１を下降移動させる。永久磁石１を上昇速度より下降速度を早く移動させる構成は、クランク構造を採用した場合には、周知の早や戻り機構を適用することによって実現できる。

上記構成により上昇移動した破砕媒体Ｂが急激に下降移動することにより、破砕媒体Ｂは円筒容器Ａの底部に在る被破砕物Ｃに衝突し、それに圧縮力を加えるので、この破砕媒体Ｂの被破砕物Ｃへの衝突が繰り返される杵搗き運動によって被破砕物Ｃは圧砕される。

図１（ｂ）は、破砕媒体Ｂを自然落下により下降移動させる構成を示すもので、容器収容筒５の永久磁石１が上昇移動した上限位置に相当する部位には、磁気遮蔽体（磁気印加解除手段）１１が配設されている。

上記構成において、昇降移動機構９により永久磁石１を上昇移動させると、強磁性体を主体として形成した破砕媒体Ｂは永久磁石１に吸引されて円筒容器Ａ内を上昇移動する。永久磁石１が上昇上限位置に移動すると、永久磁石１の磁界は磁気遮蔽体１１によって遮蔽され、破砕媒体Ｂは磁気吸引が解除されるので、破砕媒体Ｂは落下して円筒容器Ａの底部に在る被破砕物Ｃに衝突する。この永久磁石１の昇降移動を繰り返すことにより、破砕媒体Ｂは繰り返し被破砕物Ｃに衝突して圧縮力を加えるので、破砕媒体Ｂの杵搗き運動により被破砕物Ｃは圧砕される。

破砕媒体Ｂの落下速度は自重による短い距離の落下だけなので、破砕媒体Ｂの質量が小さい場合には被破砕物Ｃに与える圧縮力は小さく、硬質の被破砕物Ｃの場合では圧砕効果は小さい。そこで、図示するように、容器収容筒５の底面に吸引磁石１４と可動磁気遮蔽体１３とを設け、落下する破砕媒体Ｂを円筒容器Ａの底部側に吸引するのが有効な手段となる。

前記可動磁気遮蔽体１３は、昇降移動機構９に連動して動作し、永久磁石１により破砕媒体Ｂが上昇上限位置に移動したとき、吸引磁石１４上から退避位置に移動する。可動磁気遮蔽体１３が退避位置に移動すると、吸引磁石１４の吸引力が円筒容器Ａの底部に作用するので、落下する破砕媒体Ｂに吸引力が及んで破砕媒体Ｂが被破砕物Ｃに衝突したときの圧縮力を増加させ、圧砕効果を向上させることができる。

永久磁石１により破砕媒体Ｂを円筒容器Ａ内で昇降移動させる構造は、図２に示すように、永久磁石１は所定位置に固定し、昇降駆動機構９により容器収容筒５を昇降移動させるように構成することもできる。

昇降駆動機構９による駆動により容器収容筒５が実線で示す位置から破線で示す位置に下降すると、破砕媒体Ｂは永久磁石１の吸引力により円筒容器Ａ内で上昇移動する。容器収容筒５の上部側周面には磁気遮蔽体７が設けられているので、磁気吸引力が解除された破砕媒体Ｂは落下して被破砕物Ｃに衝突して圧砕する。この破砕媒体Ｂの落下開始に同期させて容器収容筒５を上昇方向に移動させると、破砕媒体Ｂの被破砕物Ｃに対する衝突加速度を増加させて圧砕効果を増加させることができる。

図３は、永久磁石１の移動構造を異にする第２の実施形態の構成を示すものである。図示するように、複数（ここでは２個）の永久磁石１を回転円板４上に固定し、この回転円板４を円筒容器Ａの側面で矢印方向に回転させることにより、永久磁石１の磁気吸引力によって円筒容器Ａ内に収容した破砕媒体Ｂを上昇移動させることができる。

回転円板４の回転とともに永久磁石１は円筒容器Ａの上部位置から離れ、破砕媒体Ｂに対する吸引力印加は弱まるので、破砕媒体Ｂは落下して円筒容器Ａの底部に在る被破砕物Ｃに衝突して圧縮力を加える。回転円板１１の回転により別の永久磁石１が円筒容器Ａの底部に移動してくるので、破砕媒体Ｂは再び上昇方向に引き上げられ、上昇位置で磁気吸引力が解除されると落下する動作を繰り返す。この破砕媒体Ｂの落下が繰り返される杵搗き運動により、被破砕物Ｃには圧砕作用が及んで破砕がなされる。

上記構成の場合においても、先の構成と同様に、円筒容器Ａの底部に破砕媒体Ｂの落下に同期させて吸引磁界を加えることが効果的となる。ここでは、吸引磁石１４を取り付けた水平円板４１を回転円板４の回転に同期させて回転駆動し、破砕媒体Ｂの落下開始に合わせて吸引磁石１４が円筒容器Ａの底部側に移動するように構成している。

上記構成においては、破砕媒体Ｂにより被破砕物Ｃを破砕する効果は圧砕作用だけになるので、硬質の被破砕物Ｃに対しては有効であっても、軟質の被破砕物Ｃを満遍なく破砕する効果は小さい。そこで、被破砕物Ｃを磨り潰す摩砕作用を加えることにより、破砕効率の向上を図ることができる。

図４は、第３の実施形態の構成を示すもので、モータ７を駆動源として、回転駆動機構８により円筒容器Ａの外周回りで永久磁石６を回転駆動させると共に、昇降駆動機構９により円筒容器Ａの円筒軸方向に永久磁石６を上下移動させる。この永久磁石６の回転及び上下移動により、着磁した破砕媒体Ｂは円筒容器Ａ内で回転運動及び上下運動するので、破砕媒体Ｂの回転運動により被破砕物Ｃは摩砕され、破砕媒体Ｂが上下運動して円筒容器Ａの底部に衝突することにより被破砕物Ｃは圧砕される。

本構成においても容器収容筒５の上部に磁気遮蔽体１１をリング状に配し、破砕媒体Ｂの上昇上限位置への到達に同期して円筒容器Ａの底部側に設けた吸引磁石１４上に配した吸引磁気遮蔽体１３を吸引磁石１４上から外れるように移動させるように構成するのが有効となる。落下する破砕媒体Ｂには吸引磁石１４の吸引力が作用するので、破砕媒体Ｂの落下加速度が増加して円筒容器Ａの内底面に在る被破砕物Ｃに激しく衝突して圧砕する。

図５は、第４の実施形態に係る破砕装置の構成を示すものである。本構成においては、強磁性体を円柱状に形成した破砕媒体Ｂは、その直径方向にＮ極、Ｓ極が存在するように着磁されている。また、円柱状に形成された永久磁石１２は、その直径方向にＮ極、Ｓ極が存在するように着磁されており、図６に示すように、永久磁石１２はＮ極、Ｓ極が反転するように回転する自転運動させながら所定半径の円周上を回転する公転運動がなされるように回転駆動される。

図６において、永久磁石１２を自転運動させると、円筒容器Ａ側に向くＮ極、Ｓ極の位置が反転する。永久磁石１２の自転運動により磁極が反転すると、着磁された破砕媒体Ｂには磁気反発力と磁気吸引力とが作用して、ほぼ同一位置で回転する自転運動が生じる。永久磁石１２を自転運動させながら円筒容器Ａの外周回りで回転する公転運動させると、破砕媒体Ｂは永久磁石１２の公転運動に追従して自転運動しながら円筒容器Ａに内周に沿って公転運動する。円筒容器Ａの内径に対する破砕媒体Ｂの直径を適正に設定することにより、円筒容器Ａの底面に在る被破砕物Ｃを満遍なく摩砕することができる。

永久磁石１２を自転運動させながら公転運動させる構造は、周知の遊星歯車構造などを適用することができる。遊星歯車構造では、太陽歯車に噛合してその周囲を自転しながら公転する遊星歯車の回転軸に永久磁石１２を取り付けることにより、永久磁石１２を自転及び公転運動させることができる。本実施形態においては、永久磁石１２は自転運動及び公転運動に加えて、円筒容器Ａの円筒軸方向に上下運動させるために、図５に示すように、永久磁石１２を自転運動及び公転運動させる自公転機構１５を回転駆動機構１６によって回転駆動し、回転駆動機構１６を昇降駆動機構２４によって円筒容器Ａの高さ方向に上下に昇降移動させるように構成している。

図５において、自公転機構１５は、永久磁石１２の上下に固定したローラ１２ａを筐体２０に設けられた容器収容筒２１の外周面に当接させると共に、支持ローラ２９，２９（図４参照）を容器収容筒２１の外周面に回転自在に当接させ、容器収容筒２１の外周回りで回転すると共に上下移動する。永久磁石１２の回転軸及び支持ローラ２９の回転軸は回転支持体１７に軸支されている。この自公転機構１５はその回転支持体１７の上面及び下面をベアリング２２を介して回転駆動機構１６によって保持されている。回転駆動機構１６は図示しないモータにより減速機構を介して回転駆動輪２５を回転駆動し、回転駆動輪２５により自公転機構１５を回転駆動する。

前記回転駆動機構１６を昇降駆動機構２４によって上下に直線移動させることにより、自公転機構１５が容器収容筒２１に沿って昇降移動する。昇降駆動機構２４は、モータ及び減速機構を内装した昇降駆動源２６によって動作し、回転駆動機構１６を昇降軸２７に沿って上下に往復移動させる。昇降駆動機構２４は、クランク構造やボールネジ構造などによって構成することができる。

上記構成において、容器収容筒２１に破砕媒体Ｂと被破砕物Ｃとを収容した円筒容器Ａを挿入して回転駆動機構１６を起動させると、回転駆動輪２５によって回転支持体１７が回転駆動され、永久磁石１２を容器収容筒２１の外周回りに回転させる。永久磁石１２は上下のローラ１２ａによって容器収容筒２１に当接しているので、回転支持体１７の回転により円筒容器Ａの外周回りで自転しながら公転する運動が生じ、前述したように円筒容器Ａ内に収容された破砕媒体Ｂを自転運動及び公転運動させ、被破砕物Ｃを摩砕する。被破砕物Ｃは円筒容器Ａの底部に在るので、破砕媒体Ｂが円筒容器Ａの底部側で重点的に自転運動及び公転運動するように自公転機構１５は昇降移動の最下位置で主に回転駆動される。

昇降駆動機構２４は所要のタイミングで起動して回転駆動機構１６を昇降移動させる。昇降駆動機構２４が起動すると、回転駆動機構１６が上昇移動し、自公転機構１５を容器収容筒２１に沿って上降移動させる。昇降駆動機構１４は回転駆動機構１６を破線で示す上限位置に上昇させ、次いで下降動作に移行する。自公転機構１５の昇降移動によって破砕媒体Ｂも円筒容器Ａ内で自公転しながら昇降移動するので、被破砕物Ｃは上下にも摩砕され、破砕媒体Ｂが圧縮する作用により被破砕物Ｃは圧砕される。

被破砕物Ｃを圧砕する効果を向上させるために、自公転機構１５の上昇移動速度は遅く、下降移動速度は速くすることが望ましい。この昇降移動の速度変化は、昇降駆動機構２４をクランク構造によって構成した場合には、周知の早や戻り機構を備えたクランク構造を適用するのが好適である。ボールネジ構造の場合では、回転駆動方向を切り換えると同時に回転速度を増加させることによって実現できる。

また、上昇させた破砕媒体Ｂの落下速度を増加させるために、容器収容筒２１の上方の周面に上部磁気遮蔽体３０を配設することが有効である。更に、容器収容筒２１の底面に対応する位置に吸引磁石２８を配設し、吸引磁石２８と容器収容筒２１の底面との間に下部磁気遮蔽体３１を出し入れする。下部磁気遮蔽体３１の出し入れ操作は、回転駆動機構１６の昇降移動に同期させ、自公転機構１５が上部磁気遮蔽体３０の配設位置に到達したタイミングで吸引磁石２８上から下部磁気遮蔽体３１を退避位置に移動させる。下部磁気遮蔽体３１が吸引磁石２８上から移動すると、吸引磁石２８の磁気吸引力が落下してくる破砕媒体Ｂに及ぶので、破砕媒体Ｂの落下加速度が増加し、大きな圧縮圧力で被破砕物Ｃに衝突するので、被破砕物Ｃを圧砕する作用が増大する。

以上説明した構成においては、破砕媒体Ｂの着磁方向は直径方向としているが、高さ方向に着磁することもできる。破砕媒体Ｂを上下方向に着磁した場合、永久磁石１２を自転させながら円筒容器Ａの外周回りで公転させると、図７（ａ）に示すように、破砕媒体Ｂは振れ運動しながら円筒容器Ａ内で公転運動する。この振れ運動と公転運動とにより円筒容器Ａの底部にある被破砕物Ｃを摩砕することができる。

また、図７（ｂ）に示すように、直径方向に着磁した一対の永久磁石３２ａ，３２ｂを上下に組み合わせた組永久磁石３２を自転させながら円筒容器Ａの外周回りで公転させると、破砕媒体Ｂは図４に示した場合と同様に円筒容器Ａ内で自転運動しながら公転運動する。この自転運動と公転運動とにより円筒容器Ａの底部にある被破砕物Ｃを摩砕することができる。

破砕媒体Ｂを上下方向に着磁した場合、図７に示すように、円筒容器Ａの底側に永久磁石３４を配置すると、破砕媒体Ｂの下側磁極に対する磁気吸引力又は磁気反発力を作用させることができる。磁気吸引力が作用するように永久磁石３４の磁極方向を設定すると、前述した上昇位置に移動させた破砕媒体Ｂを円筒容器Ａの底に吸引して被破砕物Ｃを圧砕する作用が得られる。逆に、磁気反発力が作用するように永久磁石３４の磁極方向を設定すると、破砕媒体Ｂを上昇移動させやすくなる。また、永久磁石３４の磁極を反転させる動作を繰り返すことにより、破砕媒体Ｂが上下動する杵つき運動させることができ、杵つき運動により被破砕物Ｃを圧砕する効果を向上させることができる。この杵つき運動は、破砕媒体Ｂに対して磁気反発する方向に磁極を配した永久磁石３４の円筒容器Ａの底部に対する距離を変化させることによっても得られる。

破砕媒体Ｂを円筒容器Ａ内で自転運動及び公転運動させる構成は、上記構成のように永久磁石１２を自公転させる構造でなく、永久磁石１２を固定した以下に示すような構造によっても可能である。

図８は、第５の実施形態に係る破砕装置における破砕媒体Ｂの回転駆動方法を説明するもので、円筒容器Ａの外周回りに複数（ここでは８個）の永久磁石３３ａ〜３３ｈを磁極方向が隣り合う間で逆になるように配置し、複数の永久磁石３３ａ〜３３ｈと円筒容器Ａとの間で磁気透過窓３５ａを設けた回転磁気遮蔽体３５を回転させる。

図示するように破砕媒体Ｂは磁気透過窓３５ａを通して対向する永久磁石３３ａの磁極（図示状態ではＮ極）に吸引される磁極（Ｓ極）を向けて円筒容器Ａの内周面に当接する。回転磁気遮蔽体３５が回転して磁気透過窓３５ａが隣の永久磁石３３ｂの位置に移動すると、永久磁石３３ｂの円筒容器Ａ側に向く磁極はＳ極なので、磁気反発により破砕媒体Ｂは回転してＮ極の側で永久磁石３３ｂに磁気吸着されて円筒容器Ａの内周面に当接する。

回転磁気遮蔽体３５が回転するのに伴って破砕媒体Ｂは自転運動しながら円筒容器Ａの内周面に沿って公転運動するので、円筒容器Ａ内に収容された被破砕物Ｃは摩砕される。回転磁気遮蔽体３５に設ける磁気透過窓３５ａは１箇所でなく、複数箇所に設けることもできる。例えば、図示するように永久磁石３３ａ〜３３ｈを配置している場合には、回転磁気遮蔽体３５の直径方向に対向する位置にも磁気透過窓３５ａを設けると、破砕媒体Ｂには一方に磁気吸着、他方に磁気反発の作用が及ぶので、破砕媒体Ｂが自公転する運動がより大きくなり、被破砕物Ｃを摩砕する効果を向上させることができる。

この回転磁気遮蔽体３５を用いて破砕媒体Ｂを自転運動及び公転運動させる構造において、破砕媒体Ｂを円筒容器Ａ内で上下移動させるには、図９に示すように回転磁気遮蔽体３５を円筒形に形成し、複数の永久磁石３３を上下に昇降移動させることによって実現することができる。磁気透過窓３５ａは円筒容器Ａの上方に対応する部位では開口していないので、永久磁石３３が円筒容器Ａの上方に移動したとき破砕媒体Ｂに対する磁気吸着力は遮断されて破砕媒体Ｂは落下し、被破砕物Ｃを圧砕する作用が得られる。前述した構成と同様に、永久磁石３３が上昇限度位置に到達するのに同期させて円筒容器Ａの底部に対応する位置に配した吸引磁石２８上の下部磁気遮蔽体３１を退避位置に移動させると、落下する破砕媒体Ｂに磁気吸引力が及んで落下加速度を増加させることができる。

図１０は、第６の実施形態に係る破砕装置４の要部構成を示すもので、円筒容器Ａの高さ寸法に対応する縦長形状に形成した複数の永久磁石３３を円筒容器Ａを囲む円周上に固定し、破砕媒体Ｂの高さ寸法に対応する高さ寸法に開口する磁気透過窓３５ａを設けた回転磁気遮蔽体３５を上下に昇降移動させるように構成している。

回転磁気遮蔽体３５を回転させて破砕媒体Ｂを円筒容器Ａ内で自転運動及び公転運動させながら図示する位置から回転磁気遮蔽体３５を上昇移動させると、磁気透過窓３５ａの位置が上昇するのに伴って破砕媒体Ｂも円筒容器Ａ内で上昇移動する。有底円筒形に形成した回転磁気遮蔽体３５の内底部に吸引磁石２８を設けておくと、破砕媒体Ｂが所定の上昇位置に移動したとき円筒容器Ａの底部に強い吸引磁界が印加される。破砕媒体Ｂが所定の上昇位置に達したとき、磁気透過窓３５ａを磁気遮蔽する、回転磁気遮蔽体３５を更に上昇移動させる、回転磁気遮蔽体３５の回転速度を急上昇させる、などの手段により破砕媒体Ｂの磁気吸引を振り切ると、破砕媒体Ｂは落下すると共に吸引磁石２８に吸引されて円筒容器Ａの底側に衝突するので、被破砕物Ｃを圧砕する効果が向上する。

回転磁気遮蔽体３５に設ける磁気透過窓３５ａの形状や開口径、位置は任意に設定することができる。例えば、図１１に示すように、複数の磁気透過窓３５ａを螺旋状に形成すると、回転磁気遮蔽体３５を昇降移動させることなく回転させるだけで破砕媒体Ｂを回転運動させながら上下に往復移動させることができる。

また、回転磁気遮蔽体３５を上下に小さく往復振動させながら回転させると、処理媒体は自転運動及び公転運動に加えて上下振動が生じるので、被破砕物Ｃを破砕する作用を向上させることができる。

また、円筒容器Ａは縦方向に置くことを基本としているが、円筒容器Ａの開口部を閉じる蓋体Ｄで円筒容器Ａを液漏れしない状態に密閉できる構造であれば、円筒容器Ａを横置きして破砕又は攪拌処理することも可能である。この場合には、破砕媒体Ｂの長さを大きくする、周面に突起を設けるなどの構成によって横置きにおける摩砕及び攪拌の作用の低下を抑制することができる。

以上説明した各構成において、破砕媒体Ｂは円柱形で下部を円筒容器Ａの内底面形状に対応する形状としているが、この形状に限定されるものではなく、図１２（ａ）に示すように、直径方向に複数の突出部３７を設けた形状に構成することができる。この構成により繊維質の被破砕物Ｃをせん断する作用が増し、摩砕効果を向上させることができる。また、破砕媒体Ｂの着磁は、直径方向の両側に対極が存在するように着磁するだけでなく、図１２（ｂ）に示すように、複数の突出部３７それぞれに着磁することもできる。前述したように着磁方向は直径方向に限定されるものではなく、上下方向に着磁することによって破砕媒体Ｂの運動を変化させることができる。

また、金属によって形成している破砕媒体Ｂは、破砕に伴って剥れた金属粉が破砕した被破砕物Ｃの中に混入する憂いがある。金属物の混入が好ましくない場合には、破砕媒体Ｂの表面をセラミックやフッ素樹脂などによって被覆することが好適であり、腐食性の緩衝液などを用いる場合の耐性を向上させることができる利点も得られる。

円筒容器Ａは、遠心チューブやサンプルチューブ等と称される汎用チューブを適用することができるので、図１３に示すように、破砕媒体Ｂの下端形状は、円筒容器Ａの内底面形状に対応するものを用いることにより、被破砕物Ｃを摩砕あるいは圧砕する効果を向上させることができる。

破砕処理を行うとき、円筒容器Ａ内には摩擦による熱が発生する。被破砕物Ｃが温度上昇によって変質が生じやすいものであるとき、円筒容器Ａや破砕媒体Ｂの発熱は好ましくないので、被破砕物Ｃの温度上昇を抑制する必要がある。

図１４に示すように、破砕媒体Ｂ２を中空構造に形成し、中空内に蓄冷材３８を封入した構造とするのが有効となる。この破砕媒体Ｂ２を予め冷却装置で冷却し、蓄冷材３８を冷却又は凍結させたものを円筒容器Ａに投入して破砕処理すると、被破砕物Ｃはそれに直接的に接する破砕媒体Ｂ２によって冷却され、温度上昇による被破砕物Ｃの変質が効果的に防止できる。

以上説明した構成において、破砕又は攪拌の処理後には円筒容器Ａ中に存在する破砕媒体Ｂは、その後の作業において邪魔になるので、円筒容器Ａから簡単に取り出すことができるようにするのが好適である。図１５に示すように、処理終了後の円筒容器Ａの蓋Ｄの外側に永久磁石４０を置き、破砕媒体Ｂを円筒容器Ａの上方に引き上げた後、永久磁石３３の磁気を遮蔽すると、破砕媒体Ｂは永久磁石４０に吸引されて蓋Ｄの内側に吸着する。破砕媒体Ｂを吸着すると、永久磁石４０は蓋Ｄ上で動き難い状態になるので、蓋Ｄを円筒容器Ａから外す作業中に外れることはなく、蓋Ｄを円筒容器Ａから取り外すと、蓋Ｄと共に破砕媒体Ｂは円筒容器Ａの外に取り出される。

以上の説明の通り本発明によれば、永久磁石を用いて円筒容器内に収容した着磁体を回転運動を含む三次元方向に移動させて被破砕物を破砕することができるので、電池電源や手動によっても破砕処理が可能となる。従って、所要電力が得られない屋外や安全キャビネットの中でも破砕処理を実施することができ、分析や検査を行う現場で試料を処理することができる。

第１の実施形態に係る破砕装置の要部構成を示す断面図。 円筒容器を昇降移動させる変形例構成を示す断面図。 第２の実施形態に係る破砕装置の要部構成を示す断面図。 第３の実施形態に係る破砕装置の要部構成を示す断面図。 第４の実施形態に係る破砕装置の構成を示す断面図。 同上装置における処理媒体の運動を説明する説明図。 処理媒体の着磁方向を上下方向にした場合の構成を示す断面図。 第５の実施形態に係る破砕装置の要部構成を示す平面図。 同上装置における回転磁気遮蔽体の構成を示す斜視図。 第６の実施形態に係る破砕装置の要部構成を示す断面図。 回転磁気遮蔽体における磁気透過窓の設定例を示す斜視図。 処理媒体の変形例を示す平面図。 円筒容器と処理媒体との形状対応を説明する断面図。 蓄冷構造を設けた処理媒体を示す断面図。 処理媒体の円筒容器からの取り出し方法を説明する断面図。 振動破砕方式による細胞破砕装置の構成を示す断面図。 凍結試料破砕用容器の構成を示す斜視図。 ペッスルによる回転破砕の方法を説明する説明図。 ペッスル構造に特徴を有する回転破砕の側面図。

符号の説明

Ａ 円筒容器
Ｂ，Ｂ２ 破砕媒体
Ｃ 被破砕物
１，６，１２，３３，３４，４０ 永久磁石
８，１６ 回転駆動機構
９，２４ 昇降駆動機構
１１ 磁気遮蔽体
１３ 吸引磁気遮蔽体
１４、２８ 吸引磁石
１５ 自公転機構
２１ 容器収容筒
３０ 上部磁気遮蔽体
３１ 下部磁気遮蔽体
３２ 組永久磁石
３５ 回転磁気遮蔽体
３５ａ 磁気透過窓

Claims (21)

1. 強磁性体を主体として形成された破砕媒体を円筒容器に収容し、円筒容器の外部に配した永久磁石により前記破砕媒体を円筒容器の上方に上昇移動させ、上昇位置から円筒容器の底部に向けて急速に下降移動させる動作を繰り返すことにより、円筒容器中に収容した被破砕物を破砕することを特徴とする破砕方法。
2. 強磁性体を主体として形成された破砕媒体を円筒容器に収容し、前記破砕媒体を円筒容器の外周回りで回転する永久磁石により回転させると共に、破砕媒体を永久磁石により円筒容器の上方に上昇移動させ、上昇位置から円筒容器の底部に向けて急速に下降移動させる動作を繰り返すことにより、円筒容器中に収容した被破砕物を破砕することを特徴とする破砕方法。
3. 破砕媒体は、着磁した強磁性体を用いる請求項１又は２に記載の破砕方法。
4. 破砕媒体の下降移動は、永久磁石の円筒容器底部側に向けた急速移動による請求項１〜３いずれか一項に記載の破砕方法。
5. 破砕媒体の下降移動は、上昇位置において永久磁石からの吸引力が解除された破砕媒体の自然落下による請求項１〜３いずれか一項に記載の破砕方法。
6. 円筒容器の底部に磁気吸引力を印加する請求項１〜５いずれか一項に記載の破砕方法。
7. 破砕媒体の上昇移動及び下降移動は、円筒容器の底部側に配した永久磁石の磁極反転により着磁した破砕媒体に与える磁気反発力又は磁気吸引力による請求項１〜３いずれか一項に記載の破砕方法。
8. 破砕媒体の回転は、自転運動させながら円筒容器の内周に沿って公転運動させる請求項２又は３に記載の破砕方法。
9. 円筒容器の開口部を閉じる蓋体の外部に印加する吸引磁界により円筒容器の蓋体側に移動させた破砕媒体を蓋体の内側に磁気吸着し、蓋体の円筒容器からの取り外しと共に破砕媒体を円筒容器外に取り出す請求項１〜８いずれか一項に記載の破砕方法。
10. 強磁性体を主体として形成された破砕媒体と試料とを収容した円筒容器に対し、その高さ方向と永久磁石との相対高さ位置を変化させる磁石相対位置変化手段を備えてなることを特徴とする破砕装置。
11. 強磁性体を主体として形成された破砕媒体と試料とを収容した円筒容器に対し、その外周回りで永久磁石を回転させる磁石回転駆動手段と、前記永久磁石と円筒容器の円筒軸方向との相対位置を変化させる磁石相対位置変化手段とを備えてなることを特徴とする破砕装置。
12. 強磁性体を主体として形成された破砕媒体と試料とを収容した円筒容器に対し、その外周回りに配した複数の永久磁石と、この永久磁石と円筒容器との間に配置された開口部を有する磁気遮蔽筒と、この磁気遮蔽筒を回転させる磁気遮蔽筒回転駆動手段とを備えてなることを特徴とする破砕装置。
13. 複数の永久磁石は、円筒容器の円筒軸方向に長く形成され、磁気遮蔽筒を円筒軸方向に往復移動させる磁気遮蔽筒移動手段が設けられてなる請求項１２に記載の破砕装置。
14. 磁石相対位置変化手段は、所定位置に静止した円筒容器の高さ方向に永久磁石を移動させる磁石昇降移動機構である請求項１０又は１１に記載の破砕装置。
15. 磁石相対位置変化手段は、所定高さ位置に静止した永久磁石に対し、円筒容器を移動させる容器昇降移動機構である請求項１０又は１１に記載の破砕装置。
16. 上昇位置に移動させた破砕媒体に対する永久磁石からの磁気吸引作用を解除する磁気印加解除手段が設けられてなる請求項１０，１１，１４，１５いずれか一項に記載の破砕装置。
17. 円筒容器の底部側に磁界を印加する底部磁界印加手段が設けられてなる請求項１０〜１６いずれか一項に記載の破砕装置。
18. 磁気回転駆動手段は、永久磁石をその磁極が反転するように自転運動させながら公転運動させる自公転駆動機構である請求項１１に記載の破砕装置。
19. 破砕媒体は、着磁されてなる請求項１０〜１８いずれか一項に記載の破砕装置。
20. 破砕媒体は、円筒容器の内径より小さい直径の円柱形で、その下端形状が円筒容器の内底面形状に対応する形状に形成されてなる請求項１０〜１９いずれか一項に記載の破砕装置。
21. 破砕媒体は、その内部空間に蓄冷材を封止した蓄冷構造に形成されてなる請求項１０〜２０いずれか一項に記載の破砕装置。