JP4826704B2

JP4826704B2 - 極集中型磁気回路および磁気分離装置

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Publication number: JP4826704B2
Application number: JP2004300840A
Authority: JP
Inventors: 弘光板橋; 正宏増澤; 慶子菊地; 正裕三田
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2003-10-15
Filing date: 2004-10-15
Publication date: 2011-11-30
Anticipated expiration: 2024-10-15
Also published as: JP2005152886A

Description

本発明は、磁気作用部に高い磁束密度や高磁気勾配を発生させるための極集中型の磁気回路およびそれを用いた磁気分離装置に関する。

免疫学、組織適合性検査、癌研究、移植医学、細菌学、寄生虫学、ＤＮＡテクノロジー、臨床化学等の分野での特定物質或いは細胞の分離精製技術などに用いられる磁気分離装置には、表面磁束密度や磁場勾配の高い磁気発生手段が要求されている。

近年、夾雑物を多数含んだ水溶液から特定の目的物質を分離精製する方法として、磁気ビーズを用いた磁気分離精製方法、いわゆるＩＭＳ(Immunomagnetic separation)法が多く用いられている。磁気ビーズは、軟磁性を持ったコアを親水性ポリマーで被い、滑らかな表面にすると同時に、目的の有機物質等を選択的に捕捉する抗体あるいは他の分子を表面に修飾した微粒子であり、目的物質、例えばＤＮＡ（デオキシリボ核酸）を表面に捕捉することができる。ＩＭＳ法は、目的物質を捕捉した磁気ビーズを含んだ水溶液を収納した容器の外側に磁石を配置し、その磁場で磁気ビーズを容器の壁面に集めて保持し、次いで上澄みを除去し、磁場を除去するとともに新たな試薬を加えることで磁気ビーズ表面に捕捉されたＤＮＡを解放し、再び磁場を作用させて磁気ビーズを固定することで目的物質を分離精製するものである。

磁気ビーズを分離する装置として、例えば特許第３０８５７０９号公報（特許文献１）に開示されたものがある。これは、試験媒体から磁気反応的コロイド状粒子を分離するためのもので、少なくとも１個の容器と、この容器内で試験媒体内に高勾配磁場を発生することのできる磁気手段から構成されている。磁場発生手段は、４個または６個の永久磁石または電磁石を備え、容器の外側に容器を収納する中空部を区切るように配置されており、容器の内側に開いた界磁勾配をつくりだす。これにより、磁場は、中空部の縁部近くで極めて強く、中空部の中央では理論上はゼロとなることから、中空部に高勾配磁場が形成されると説明されている。また、磁石は、円筒状の強磁性ヨークに取り付けられることが好ましいとされている。特許文献２は極異方性磁石の成形用の金型に関する発明であり、成形空間に磁界を印加する永久磁石を用いた磁気回路を開示している。

特許第３０８５７０９号公報（５頁右段落第３０行〜６頁右段落第３０行）特開２００２−３６７８４４号公報

近年、従来から使用されてきた直径２μｍ〜１０μｍ程度の大きさの磁気ビーズに対して、１μｍあるいはそれ以下の直径を持つ磁気ビーズが使用されるようになってきた。その理由の一つに、目的物質の計数の容易さが挙げられる。即ち、磁気ビーズを小さくすることで、磁気ビーズ表面に付ける抗体を１個のみにし、磁気ビーズ１個につき一つの目的物質を捕捉させ、磁気ビーズの数を磁気的に数えることで、目的物質の数を試薬を用いて分離することなく計数することを可能にするのである。しかし、磁気ビーズが小さくなるに従い、磁気ビーズの永久磁石への吸着力が弱くなり、夾雑物が混入している水溶液の粘性に打ち勝って永久磁石近傍に集まるまでの時間が長くなる、という問題が生じてきた。例えば、直径０．０１μｍの酸化鉄を磁性体とする磁気ビーズに対し、単板永久磁石を用いた市販の分離装置の中には、８０％の磁気ビーズを磁石近傍に吸引するのに約８時間もかかっており、研究や新薬開発に大きなネックとなっている。

ここで磁気ビーズの吸着力について説明する。吸着力は作用する磁気力に等しく、磁気力をFm、磁気ビーズの磁気双極子モーメントをm、その場所の磁束密度Bを用いると下記数１で表される。なお、斜体はベクトルを表す。
(Symposium on New MAGNETIC SCIENCE '97 、Proceeding of The First Meeting Nov.27-28
'97-Japan、第１頁〜１９頁参照)

これを、真空の透磁率をμ₀、磁気ビーズが均一に磁化される球形の微粒子であると仮定した時の体積をＶp、磁気ビーズの体積磁化率をχp、磁気ビーズ周辺の分散媒体の体積磁化率をχ_f、磁場の強さをＨとし、磁気力Fmの座標軸のある方向成分をFm_ξと定義すると、数１は下記数２と書き換えられる。

磁化量Ｍ*は、磁気ビーズの体積磁化率と周辺の分散媒体の磁化率および磁場の関数であるが、磁気ビーズは弱い磁場中でも容易に飽和するため、ある一定以上の強度を持つ磁場中では磁気ビーズの磁化量Ｍ*は一定となる。従って、磁気力Fm_ξは、磁気ビーズの大きさ（Ｖp）と、磁場の強度勾配（▽_ξＨ）に比例することになる。従って、磁気ビーズの吸着力を強力にするには、大きな磁場勾配を与えることが重要となる。

前記特許文献１における磁気分離装置は、高勾配磁場を発生することができるとし、実施例１において、平均磁場勾配が３．２KGauss/cm（３２T/m）であったことが開示されている。この実施例１に示された磁気分離仕様を用いて、直径約10nmのフェライト系磁気ビーズを含む水溶液から８０％を分離するまでの時間を磁気シミュレーションしたところ、約６０分かかるという結果となり、これでは素早い実験には不十分であり、より強力な分離時間の短縮が図れる新たな磁場発生手段が必要となってきた。

従って本発明は、永久磁石を用いた磁気回路において、最大限に強い磁場を発生させ、強い磁気勾配を得ることができる磁気回路、およびそれを用いた磁気分離装置を提供することを目的としている。

本願第一の発明の極集中型磁気回路は、一対の永久磁石をその磁化方向が接合面に対して対称となるように接合して磁極を構成した磁石ユニットを、磁気作用側表面部に交互に異なる極性の磁極が生じるように連ねて極異方性磁石体を形成し、前記永久磁石の磁化方向を該永久磁石の中心部を通る径方向に対して５０°以上７０°以下の角度とすることを特徴とする。磁化方向の角度の好ましい範囲は５５〜６５°である。

また、磁極数に係わりなく磁化方向が一定であることが特徴（磁化方向が永久磁石の中心部を通る径方向に対して６０°±５°）であり、製作が容易である。好ましい磁化方向は６０°±３°である。

また、永久磁石内の磁化方向は平行であることを特徴としている。

また、本発明は、磁極数が４極、６極、８極、１０極および１２極の何れの極異方性磁石に対しても適用することができる。

本発明は、医薬、化学等の分野での特定物質或いは細胞の分離精製などに使用される磁気分離装置に用いると好適であり、磁気分離装置内に設置される容器の中央部から容器内面までの平均磁場勾配が20KGauss/cm以上、さらには30ＫGauss/cm以上の磁気分離装置が得られる。

本願第二の発明の磁気分離装置は、永久磁石磁気回路と、前記永久磁石磁気回路の中央部に試料挿入部を有し、当該試料挿入部に磁場勾配を発生させた磁気分離装置において、
前記永久磁石磁気回路は、一対の永久磁石をその磁化方向が接合面に対して対称となるように接合してなり前記試料挿入部に臨む磁極を形成する磁石ユニットを複数備え互いに隣接する前記磁極の極性が異なるように前記磁石ユニットを略筒状に配置してなることを特徴とする。従来は一磁極を単一の磁石で形成していたため、得られる磁場勾配が非常に小さいものであったが、本発明のように同磁極を対向させるような磁石ユニットとすることで永久磁石磁気回路の中央部に従来よりも遥かに高い磁場勾配を発生させることができる。ここで永久磁石磁気回路の略筒状との記載は、完全な円形状の筒のみを示すものではなく、６角形、８角形などの多角形の筒状でもよいものとする。また、ここで示す永久磁石とは単一の磁石ブロックからなる永久磁石だけでなく、磁石のサイズによっては複数の磁石ブロックを組み合わせたものであって、各磁石ブロックの磁化方向が略同一方向であり、一体とみなすことができる磁石ブロック群であってもよいものとする。

本発明の磁気分離装置の具体的な構成として、永久磁石磁気回路と、前記永久磁石磁気回路の中央部に試料挿入部を有し、当該試料挿入部に磁場勾配を発生させた磁気分離装置において、前記磁気分離装置は、略筒状の軟磁性のバックヨークと、前記バックヨークの中心部に設けられた非磁性の試料挿入部と、前記バックヨークと前記試料挿入部の間に構成され、一対の永久磁石をその磁化方向が接合面に対して対称となるように接合してなり前記試料挿入部に臨む磁極を形成する磁石ユニットを複数備え互いに隣接する前記磁極の極性が異なるように前記磁石ユニットを略筒状に配置してなる永久磁石磁気回路と、前記バックヨークと前記試料挿入部の間を覆う非磁性のカバーとからなるものを採用することができる。この構成により例えば直径１２ｍｍの試料挿入部を持つ磁気分離装置でも試料挿入部の径方向の磁場勾配が２００Ｔ／ｍ以上、さらには２５０Ｔ／ｍのものを製造できる。

この磁石ユニットは、各永久磁石の磁化方向が永久磁石の中心部を通る径方向に対して２０〜８０°の角度となるようにすることが好ましい。２０°未満、８０°超のどちらであっても永久磁石磁気回路の磁極部での表面磁束密度が低下し、高い磁場配向の試料挿入部分を作ることができない。好ましい範囲は４０〜７５°、更に好ましい範囲は５５〜６５°である。永久磁石は高い磁力を発生させることができるものほど望ましく、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系等の希土類焼結磁石或いはボンド磁石を用いることが好ましいが、Ｓｍ−Ｃｏ系或いはフェライト系の磁石であってもよい。これにより試料挿入部の内周面で１．５Ｔ、さらには１．７Ｔ以上の表面磁束密度を持つ磁気分離装置を得ることができる。

永久磁石磁気回路上の磁極数は４〜１２極で構成することが好ましい。８極以下では、試料挿入部で得られる空隙磁束密度のピークがさらに上がり、本発明の求める高い磁場勾配が得られるため、さらには、４〜８極が好ましい。永久磁石磁気回路の組立性などを考慮しても４極とすることが最も有用である。

また、永久磁石磁気回路は内径Φｉｎに対して、肉厚Ｔが３．０〜７．０倍の範囲で形成することが好ましい。更に好ましくは肉厚Ｔが４．０〜６．０倍の範囲である。内径Φｉｎに対して、肉厚Ｔが３．０倍未満であれば磁力が不足するために所望する高い磁場勾配が得られない。逆に７．０倍を超えても試料挿入部で得られる空隙磁束密度のピークはほぼ一定となり、それ以上の径の幅を持つ永久磁石磁気回路としても高価な永久磁石を無駄に使用するだけで磁気分離装置としての性能向上に繋がらない。肉厚Ｔは永久磁石磁気回路の外径をΦｏｕｔ、内径をΦｉｎとするとＴ＝（Φｏｕｔ−Φｉｎ）／２で表すことができる。永久磁石磁気回路が多角形状であった場合、永久磁石磁気回路上の磁極の角度に沿った径方向での寸法とする。

本発明は、医薬、化学等の分野での特定物質或いは細胞の分離精製などに使用される磁気分離装置に用いることが好適である。

本願第一の発明は次の効果を有している。
１）永久磁石の磁化方向の設定は、永久磁石の中心部を通る径方向に対して２０〜８０°と広い範囲がとれる。
２）上記磁化方向の設定値に対し、製作時における誤差を±１０°程度は許容でき、製作が容易である。
３）磁極数に係わりなく磁化方向が一定でよく、製作が容易である。
４）ヨークが不用であり、製造面で有利である。

本願第二の発明は次の効果を有している。
１）例えば試料挿入部の直径が１２ｍｍの磁気分離装置であっても、試料挿入部の径方向の磁場勾配が２００Ｔ／ｍ以上の磁気分離装置とすることができ、分離時間の短縮が可能である。
２）永久磁石の磁化方向の設定は、永久磁石の中心部を通る径方向に対して２０〜８０°と広い範囲がとれる。
３）上記磁化方向の設定値に対し、多少の誤差があっても試料挿入部で得られる空隙磁束密度は余り変わらないため、磁化配向の誤差を±１０°程度は許容できるので製作が容易である。
４）磁極数に係わりなく最大の磁束密度が得られる永久磁石の磁化方向はその磁石の中心を通る径方向に対して６０°±５°で一定であり設計が容易である。

以下、本発明の極集中型磁気回路を、６極の磁極を有する円筒状の永久磁石を用いた磁場発生手段に適用した例で説明する。円筒状磁石の内部を磁気作用空間とした場合、この空間の磁気勾配を大きくするためには、円筒状磁石の軸中心部は磁場強度がゼロであるとみなせることから、内径側表面の表面磁束密度を大きくすればよく、この点に関して説明する。磁場発生手段は、扇状の永久磁石をリング状に連ねた磁石体１０からなり、図１にその平面図を示す。本例の磁石体１０は内径側を磁気作用空間としており、磁石体１０の磁気作用面は内周側の表面であり、こちらに表面磁束密度のピーク値が生じるように内周部に６極の磁極を形成している。磁石体１０は、１２個の扇状の永久磁石（１ａ、１ｂ、…、６ａ、６ｂ）を円周方向に配置してリング状とし、２個の永久磁石を対にした磁石ユニットで一極を形成している。全ての永久磁石は、その磁化方向が、永久磁石に設定した基準線に対し所定の傾斜角をなして平行になるように着磁されている。基準線としては、永久磁石の外周部の中心での接線Ａや、永久磁石の中心部を通る径方向の線Ｂとすると全ての永久磁石に共通となり好ましいが、一対の永久磁石の境界線Ｃとすることもできる。

図１に示している磁石ユニット１と磁石ユニット２を例に、磁化方向について具体的に説明する。磁石ユニット１は永久磁石１ａ、１ｂとから成り、永久磁石１ａは、永久磁石の中心部を通る径方向Ｂに対し、反時計方向に６０°の角度で内周側に向いて平行着磁されている。着磁方向は磁石内部で磁力線がＳ極からＮ極へ向かう方向とし図1ではそれを矢印で示す。永久磁石１ｂは、永久磁石の中心部を通る径方向Ｂに対し、時計方向に６０°の角度で内周側に向いて平行着磁されている。即ち、磁石ユニット１は、接合境界線ｃ１を中心にして対称に、境界線ｃ１に向いた内周方向に磁化されており、内周部の境界線ｃ１付近がＮ極となる。なお、以後、この永久磁石の中心部を通る径方向Ｂに対する磁化方向の角度を傾斜角とも称する。

一方、隣接する磁石ユニット２は永久磁石２ａ、２ｂとから成り、永久磁石２ａは、反時計方向に６０°の傾斜角で外周側に向いて平行着磁されている。永久磁石２ｂは、時計方向に６０°の傾斜度で外周側に向いて平行着磁されている。即ち、磁石ユニット２は、接合境界線ｃ２を中心にして対称に、境界線ｃ２に向いた外周方向に磁化されており、内周部の境界線ｃ２付近がＳ極となる。隣接する磁石ユニットは順次同様の構成をとっている。

上述したように、磁石ユニット１は、その磁化方向が永久磁石１ａ、１ｂの境界線ｃ１に向って内周に向いているので、磁力線は境界線ｃ１に向かって集中されてキャビティへと導かれ、表面磁束密度は境界線ｃ１上で最大となる。また、隣接する磁石ユニット２は、その磁化方向が外周に向って永久磁石２ａ、２ｂの境界線ｃ２から離れるように向いているので、キャビティからの磁力線は境界線ｃ２へ集中するように導かれ、表面磁束密度は境界線ｃ２上で最大となる。また、磁石ユニット２の例えば永久磁石２ａへ導かれた磁力線は、永久磁石２ａの磁化方向に従い隣接する永久磁石１ｂへと向かい、永久磁石２ａから永久磁石１ｂへと通過し、永久磁石２ａ及び１ｂの外周面にはほとんど漏れない。

（実施例１）
永久磁石の磁化方向の傾斜角を変えると、磁力線が通過する経路が変わるため、磁石ユニットの磁極部における表面磁束密度の大きさが変化するであろうことが推察されるが、磁石ユニットの磁化角度と極部の表面磁束密度の関係とを定量的に説明した資料はない。そこで、最大の表面磁束密度を得るために永久磁石の磁化角度をどのように規定すべきかについて、磁気シミュレーションを行い検討した。
表１に、４極、６極、８極、１０極、１２極の磁石体において、磁化方向の傾斜角を０、２０、４０、５０、６０、７０、８０°と変えた時の内周表面の磁束密度の大きさ（法線方向成分のみ）を磁場解析で求め、傾斜角０°の表面磁束密度ピーク値を基準とした各傾斜角における表面磁束密度ピーク値の比率を示す。図２，３，４に、そのうちの４極、８極、１２極の波形を示す。なお、傾斜角０°の磁化方向は、極数が多くなる程ラジアル異方性配向の磁化方向に近くなる。

表１によれば、ピークの磁束密度は、極数に係わらず傾斜角６０°の時最大値をとることがわかり、設計上の傾斜角は６０°とするのがよい。しかし、５０°の場合とほとんど差がなく、本磁石体を製造する場合、磁化方向の設計値は、例えば５０°又は５５°或いは６０°とするなど、５０°から６０°の間の任意の値としてもよい。実際に製作すると、永久磁石製作時の配向や永久磁石の組み立てなどを通じて磁化方向に誤差がでるが、表１に示されるように、２０°から８０°との間に大きな問題となると思われるような特段の差はなく、実際の磁化方向がこの間にあればよい。即ち、本磁石体は磁化方向が設計値よりある程度ずれても許容できるということであり、製作が容易であることを表している。

図２，３，４では法線方向成分のみの磁束密度の大きさを示したため、磁極上にピーク値が現れる。しかし、接線方向成分をみると磁極間にピーク値が現れる。磁界強度は法線方向成分のベクトルと接線方向成分のベクトルとを合成して求める。このようにして求めた磁界強度分布から更に磁気勾配分布を求めることができる。図５に内径１１ｍｍの永久磁石磁気回路の試料挿入部における磁気勾配分布の一例を示す。原点は試料挿入部の中心にあり試料挿入部の１／４を示す。磁気回路全体では４つの磁極を有し図５ではＸ軸上とＹ軸上のそれぞれ５．５ｍｍの位置に磁極がある。色の濃い箇所が磁気勾配の大きい領域である。磁気勾配が大きいことと、磁気勾配の大きい領域が磁極上および磁極間を含め広く分布していることが特徴である。ここでは強い磁気吸引力が作用するため磁気ビーズは容器の壁面に短時間のうちに捕捉される。

（実施例２）
実際に下記共通仕様の下で、傾斜角が０°、２０°、６０°の３種類の平行着磁磁石を製作し、表面磁束密度を測定した。その波形を図６に示す。
１）配向磁石共通仕様
・材質Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ、焼結磁石
・寸法 Φ５０×Φ３０×１０
・磁極内周１２極
２）測定
・測定器ガウスメータ（日本電磁測器（株）製、Model６８００マグネットアナライザ）
図６に示すように、傾斜角０°の場合の表面磁束密度のピーク値は０.４５Ｔ、傾斜角６０°の場合のそれは０.８Ｔであり、傾斜角０°の場合を基準１００％とした時、傾斜角６０°では１７８％となり、ほぼ表１に示す磁場解析結果と同じであった。これより、表１に示した磁場解析結果は、実際の場合と高い整合性を有しており、これをもとにした検討結果には信頼性があると判断できる。この極集中型磁気回路を用いて磁気分離装置を組み上げた所、従来に無い磁気勾配をもつものが得られ、測定時間が大幅に短縮できる磁気分離装置が得られた。

本発明の極集中型磁気回路を、内周面に磁極を有するリング状磁石に適用した例で説明したが、外周面に磁極を有するリング状磁石にも適用可能である。また、平板状や多角形状の磁石に対しても同様に適用できる。また、磁石は高い磁力を発生させることができるものほど望ましく、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系等の希土類焼結磁石或いはボンド磁石を用いることが好ましいが、Ｓｍ−Ｃｏ系或いはフェライト系の磁石であってもよい。

（実施例３）
本願第二の発明の第一の実施例の斜視図を図７に、垂直方向上側から見た図を図８に示す。本実施例は、Ｎｄ-Ｆｅ-Ｂ焼結磁石からなる８ヶの永久磁石を用いて、１ａ，１ｂを一対とする磁石ユニット１、２ａ，２ｂを一対とする磁石ユニット２、３ａ，３ｂを一対とする磁石ユニット３、４ａ，４ｂを一対とする磁石ユニット４を構成し、それぞれの磁石ユニットの内径側を１磁極とし、かつ磁極が交互になるように筒状に構成した永久磁石磁気回路９と、磁性材料（ＳＵＳ４３０製）からなるバックヨーク５、非磁性材料（Ｂｅ−Ｃｕ製）からなる試料挿入部６、非磁性材料（アルミ合金製）からなる上下のカバー７から構成されている。

先ず、永久磁石１ａ，２ａ，３ａ，４ａをＳＵＳ４３０製バックヨーク５内に挿入し取り付ける。軟磁性材料であるバックヨーク５を用いることで１ａ，２ａ，３ａ，４ａのそれぞれの永久磁石がバックヨーク５に図中吸着力Ｆａの方向で引き寄せられ、容易にバックヨーク５内に挿入することができ安定に保持される。次いで残りの永久磁石１ｂ，２ｂ，３ｂ，４ｂの挿入を行う。この時、図８に示すように例えば永久磁石１ｂは、永久磁石１ａと接合面に対して対称な極のために反発力Ｆｒが働くが、永久磁石２ａはバックヨーク５に吸引されているため容易に磁石を挿入することができる。またバックヨーク５を介し、永久磁石２ａ、１ｂが閉じた磁気回路を構成するため、磁気分離装置として使用する際にも構造的に安定な磁気回路となる。

一方バックヨークに非磁性体を構造材として用いた場合には、径方向に抑制された反発力が軸方向に作用し、軸方向に対して構造的に不安定となる。すなわち、組立て時および磁気分離装置として使用時に上述の問題が発生することから、非磁性のバックヨークでは軸方向に対して安定しないために同様の問題が出るため軟磁性のバックヨークが最適である。次いで永久磁石２ｂ、３ｂ、４ｂも同様に順次組み込む。その後、Ｂｅ−Ｃｕ製からなる試料挿入部６及びアルミ合金製のカバー７で覆うことで、磁気分離装置１０が構成される。この時、磁石ユニット１は、その磁化方向が接合面に対して対称となるように接合される永久磁石１ａ、１ｂの組み合わせである。本実施例においては、この磁石ユニットを１単位とし、磁極を磁気作用側表面部に交互に逆の極性が生じるように連ねている。このように組立られた磁気分離装置１０は、内径１２ｍｍ、外径１００ｍｍの極異方性リング磁石となる磁気回路、その磁気回路の外周部に内径１００ｍｍ、厚さ１０ｍｍのＳＵＳ４３０製バックヨーク５及び中心部に内径１１ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの円筒状である試験媒体を挿入するためのＢｅ−Ｃｕ製の試料挿入部６からなり、円筒の上下面はアルミ合金製のカバー７により密封される。実際の使用時には液体と分離される磁気ビーズなどが入った試料ケース８が図７に示すように挿入される。多数の試料ケースがトコロテン式に試料挿入部から押出されるような機構とすればさらに測定時間の短縮を計ることもできる。

磁石ユニットの構成について、以下図９を用いて詳細に説明する。磁石ユニット１は、隣り合う永久磁石１ａ、１ｂとから成る。永久磁石磁気回路９の中心から見て反時計方向側にある永久磁石１ａは、当該永久磁石の中心部を通る径方向Ｂに対し、反時計方向に６０°の角度で内周側に向いて平行着磁されている。ここで、内周側とは磁石ユニット１を構成する他方の永久磁石である永久磁石１ｂ側である。永久磁石磁気回路９の中心から見て時計方向側にある永久磁石１ｂは、当該永久磁石の中心部を通る径方向Ｂに対し、時計方向に６０°の角度で内周側に向いて平行着磁されている。ここで、内周側とは磁石ユニット１を構成する他方の永久磁石である永久磁石１ａ側である。即ち、磁石ユニット１は、永久磁石１ａ、１ｂの接合面の位置を表す接合境界線Ｃ１を中心にして線対称に磁化されており、永久磁石１ａ、１ｂ境界線Ｃ１上で永久磁石磁気回路９の内周面側に磁極Ｎの中心が形成される。接合面において永久磁石１ａ、１ｂは必ずしも互いに接合される必要は無く、密着又は近接して固定配置されていれば十分である。したがって本発明における接合面の意味は両磁石が互いに接合，密着又は近接してなる面のことである。なお、以後、この永久磁石の中心部を通る径方向Ｂに対する磁化方向の角度θを傾斜角とも称する。

一方、磁石ユニット１に隣接する磁石ユニット２は、隣り合う永久磁石２ａ、２ｂとから成る。永久磁石磁気回路９の中心から見て反時計方向側にある永久磁石２ａは、当該永久磁石の中心部を通る径方向Ｂに対し、反時計方向に６０°の角度で外周側に向いて平行着磁されている。ここで、外周側とは磁石ユニット２を構成する他方の永久磁石である永久磁石２ｂ側とは反対の側である。永久磁石磁気回路９の中心から見て時計方向側にある永久磁石２ｂは、当該永久磁石の中心部を通る径方向Ｂに対し、時計方向に６０°の角度で外周側に向いて平行着磁されている。ここで、外周側とは磁石ユニット２を構成する他方の永久磁石である永久磁石２ａ側とは反対の側である。即ち、磁石ユニット２は、永久磁石２ａ、２ｂの接合面の位置を表す接合境界線Ｃ２を中心にして線対称に磁化されており、永久磁石２ａ、２ｂ境界線Ｃ２上で永久磁石磁気回路９の内周面側に磁極Ｓの中心が形成される。隣接する磁石ユニットは順次同様の構成をとり永久磁石磁気回路９を構成する。

上述したように、磁石ユニット１は、その磁化方向が永久磁石１ａ、１ｂの境界線に向いており、磁力線は境界線に向かって集中されているので、Ｃ１上の内周側から発生する磁場強度は、単一磁石よりも大きくすることができ、本実施例の試料挿入部６表面において、永久磁石のＢｒ１．４Ｔを超える１．８Ｔの表面磁束密度を得ることができた。隣接する磁石ユニット２は、その磁化方向が外周に向って永久磁石２ａ、２ｂの境界線から離れるように向いているので、磁力線は２ａ、２ｂの境界線へ集中するように導かれ、表面磁束密度は境界線Ｃ２上の内周側で最大となる。また、試料挿入部の中心部から径方向への磁場勾配は２９３Ｔ／ｍであった。

（実施例４）
実際に実施例３に示した磁気分離装置を下記共通仕様の下で、傾斜角が０°、２０°、６０°の３種類の平行着磁した永久磁石を製作し、表面磁束密度を測定した。その波形を図１０に示す。
１）配向磁石共通仕様
・材質Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結磁石（Ｂｒ１．４Ｔ，ｂＨｃ１１００ｋＡ／ｍ）
・寸法 Φ５０×Φ１０×１０
・磁極内周４極
２）測定
・測定器ガウスメータ（日本電磁測器（株）製、Model６８００マグネットアナライザ）
図１０に示すように、傾斜角０°の場合の表面磁束密度のピーク値は１Ｔ、傾斜角６０°の場合のそれは２Ｔであり、傾斜角０°の場合を基準１００％とした時、傾斜角６０°では１７８％となり、表１に示す磁場解析結果より顕著な効果が観測された。この極集中型磁気回路を用いて磁気分離装置を組み上げた所、従来に無い磁場勾配をもつものが得られ、測定時間が大幅に短縮できる磁気分離装置が得られた。

（実施例５）
図１０に示す永久磁石磁気回路の内径Φｉｎと外径Φｏｕｔとの関係を図１１に示す。磁石内径Φｉｎが６、１０、２０ｍｍの各々の永久磁石磁気回路において、外径Φｏｕｔの寸法形状により試料挿入部で得られる最大磁束密度の値を測定したものである。図より内径Φｉｎに対して所定の外径Φｏｕｔ以上になるとほぼ得られる磁束密度は一定であり、それ以上の外径を持つ永久磁石磁気回路としても磁気分離装置が大型化するだけで利点が無いことが解る。図１１中の破線部はピークの磁束密度に対して飽和率９７％となる外径Φｏｕｔを示すものである。これを基に図１２のように横軸を内径Φｉｎ、縦軸を永久磁石磁気回路の肉厚Ｔ（Ｔ＝（外径Φｏｕｔ−内径Φｉｎ）／２）としたグラフを作成すると、永久磁石磁気回路の肉厚Ｔは内径Φｉｎに対して７．０倍以下とすれば十分な磁束密度が得られることが解る。

本発明を説明するための磁石体の磁化方向を説明するための図。極数と磁化方向傾斜角を変えて磁場解析した時の磁束密度の大きさを示す図。極数と磁化方向傾斜角を変えて磁場解析した時の磁束密度の大きさを示す図。極数と磁化方向傾斜角を変えて磁場解析した時の磁束密度の大きさを示す図。永久磁石磁気回路の試料挿入部における磁気勾配分布の一例を示す図。磁化方向の傾斜角を変えて製作した磁石体の表面磁束密度の違いを示す図。本発明の磁気分離装置を説明するための斜視図。本発明の磁気分離装置を垂直方向上側から見た図。本発明の磁気分離装置の永久磁石磁気回路を説明するための図磁化方向の傾斜角を変えて製作した磁石体の表面磁束密度の違いを示す図。内径および外径を変えて製作した時の表面磁束密度ピーク値の違いを示す図。磁石内径を変えた場合の必要磁石肉厚を示す図。

符号の説明

１，２磁石ユニット
１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂ，４ａ，４ｂ永久磁石
５バックヨーク
６試料挿入部
７カバー
８試料ケース
９永久磁石磁気回路
１０磁石体
１１磁気分離装置
Ａ永久磁石の外周幅中心部での接線
Ｂ永久磁石の中心部を通る径方向の線
Ｃ磁石ユニットを成す永久磁石の接合境界線（接合面）

Claims

一対の永久磁石をその磁化方向が接合面に対して対称となるように接合して磁極を構成した磁石ユニットを、磁気作用側表面部に交互に異なる極性の磁極が生じるように連ねて極異方性磁石体を形成し、前記永久磁石の磁化方向を該永久磁石の中心部を通る径方向に対して５０°以上７０°以下の角度とすることを特徴とする極集中型磁気回路。
前記磁化方向が永久磁石の中心部を通る径方向に対して６０°±５°の角度である請求項１記載の極集中型磁気回路。
各永久磁石内の磁化方向は平行である請求項１又は２に記載の極集中型磁気回路。
磁極数が４極、６極、８極、１０極および１２極のうちの何れかである請求項１乃至３の何れかに記載の極集中型磁気回路。
請求項１乃至４の何れかに記載の極集中型磁気回路と、前記極集中型磁気回路の中央部に磁気ビーズを含んだ液体が入った試料ケースを挿入するための試料挿入部を有し、当該試料挿入部に磁場勾配を発生させたことを特徴とする磁気分離装置。