毛髪の柔軟性評価方法
【課題】毛髪の断面形状を考慮して柔軟性を高精度に評価することができ、さらに弾性率と毛髪の内部構造とを関連付けて評価を行うことができる毛髪の柔軟性評価方法を提供する。
【解決手段】複数の層から成る断面構造を有する毛髪の断面形状を測定し、その断面形状を楕円近似したときの長軸と短軸とを求める。毛髪の一端を固定し、少なくとも長軸および短軸のいずれか一方に沿った、固定位置から所定の距離ｌの位置での毛髪の荷重Ｐと変位との関係を測定する。横軸を変位、縦軸をＰｌ３／３Ｉ（Ｉは荷重Ｐの負荷方向に対する前記毛髪の断面二次モーメント）として測定値をプロットしたときのグラフの傾きＳＥを求め、その傾きＳＥから毛髪の各層の弾性率および／または厚みを評価する。
【解決手段】複数の層から成る断面構造を有する毛髪の断面形状を測定し、その断面形状を楕円近似したときの長軸と短軸とを求める。毛髪の一端を固定し、少なくとも長軸および短軸のいずれか一方に沿った、固定位置から所定の距離ｌの位置での毛髪の荷重Ｐと変位との関係を測定する。横軸を変位、縦軸をＰｌ３／３Ｉ（Ｉは荷重Ｐの負荷方向に対する前記毛髪の断面二次モーメント）として測定値をプロットしたときのグラフの傾きＳＥを求め、その傾きＳＥから毛髪の各層の弾性率および／または厚みを評価する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、毛髪の柔軟性評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
毛髪の柔軟性は、内部構造と大いに関連し、また、毛髪のしなやかさや風合いと相関するため、その評価が大変重要である（例えば、非特許文献１参照）。通常、毛髪の柔軟性を評価するには、束毛髪サンプルか単一毛髪サンプルが用いられる。束毛髪サンプルは、最も確からしい柔軟性を得るのに適しているが、毛髪間の幾何学的バラツキを平均化しているため、毛髪の力学特性変化を捉える際の感度は低下することとなる。例えば、毛髪処理等に対する柔軟性のわずかな変化を検出するには不向きである。これに対し、単一毛髪サンプルに対する特性の変化が束毛髪サンプルの特性変化を反映しているとの報告があり（例えば、非特許文献２参照）、毛髪の柔軟性の変化を議論するには単一毛髪サンプルを用いることが望ましい。
【０００３】
従来、単一毛髪の柔軟性を評価する方法の一つとして、曲げ試験による手法が用いられている（例えば、非特許文献３乃至６参照）。また、本発明者等により、平行ばねを利用して高精度で荷重測定を行うことができ、毛髪に対して極微小区間の曲げ試験を行うことができる荷重測定装置が開発されている（例えば、特許文献１参照）。毛髪の曲げ試験では、柔軟性を評価するときに、毛髪の断面形状を考慮することの重要性が指摘されている（例えば、非特許文献７参照）。ここで、毛髪は、最外層のキューティクル層（キューティクルと細胞膜複合体ＣＭＣ）、中間層のコルテックス層（コルテックスとＣＭＣ）、と中心部のメデュラの３層構造を成していることがわかっている（例えば、非特許文献８参照）。このため、曲げ試験から評価される柔軟性は、毛髪の内部構造、すなわち毛髪内部の各層の形状や弾性率に依存していると考えられる。
【０００４】
なお、毛髪内部の各層の弾性率は、既に測定されたことがあり（例えば、非特許文献６参照）、表面に露出した最外層の柔軟性は、原子間力顕微鏡等で測定することができる（例えば、非特許文献９または１０参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２０１０／０８４６６２
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Wortmann, F. J., Schwan-Jonczyk, A., “Investigating hair propertiesrelevant for hair ‘handle’. Part I: hair diameter, bending and frictionalproperties”, Int. J. Cosmet. Sci., 2006, 28, p.61-68
【非特許文献２】Robbins, C. R., Scott, G. V.,“Prediction of hair assembly characteristics from single fiber properties”, J.Soc. Cosmet. Chem., 1978, 29, p.783-792
【非特許文献３】Scott, G. V., Robbins, C. R., “A convenient method for measuring fiberstiffness”, Text. Res. J., 1969, 35, p.975-976
【非特許文献４】Scott, G. V. and Robbins, C. R., “Stiffness of human hair fibers”,J. Soc. Cosmet. Chem., 1978, 29, p.469-485
【非特許文献５】Wortmann, F. J., Kure, N., “Bending relaxation properties of humanhair and permanent waving performance”, J. Soc. Cosmet. Chem., 1990, 41, p.123-139
【非特許文献６】Sogabe, A.,Yasuda, M., Noda, A., “Physical properties of human hair 1 -Evaluation ofbending stress by measuring the major and the minor axis of human hair-“, J.Soc. Cosmet. Chem. Jpn., 2002, 36, p.207-216
【非特許文献７】Swift, J. A., “Some simple theoretical considerations on the bendingstiffness of human hair”, Int. J. Cosmet. Sci., 1995, 17, p.245-253
【非特許文献８】Robbins, C. R., “Chemical and Physical Behavior of Human Hair”, 4th ed.,Springer,2001
【非特許文献９】Parbhu, A. N., Bryson, W. G., “Disulfide bonds in the outer layer ofkeratin fibers confer higher mechanical rigidity: Correlative nano-indentationand elasticity measurement with an AFM”, Biochemistry, 1999, 38, p.11755-11761
【非特許文献１０】Swift, J. A., Smith, J. R., “Atomic force microscopy of human hair”,Scanning, 2000, 22, p.310-318
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
非特許文献７に記載のように、毛髪の曲げ試験では、柔軟性を評価するときに、毛髪の断面形状を考慮することが重要であることは指摘されているが、実際に毛髪の断面形状を考慮して柔軟性を高精度に評価したものは存在しない。また、曲げ試験により直接測定される弾性率と毛髪の内部構造との関連性については、これまで具体的に考慮されたことはなかった。
【０００８】
本発明は、このような課題に着目してなされたもので、毛髪の断面形状を考慮して柔軟性を高精度に評価することができ、さらに弾性率と毛髪の内部構造とを関連付けて評価を行うことができる毛髪の柔軟性評価方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明に係る毛髪の柔軟性評価方法は、毛髪の断面形状を測定する形状測定ステップと、前記毛髪の一端を固定し、前記断面形状の所定の方向に沿った前記毛髪の荷重と変位との関係を測定する試験ステップと、前記毛髪の荷重と変位との関係から、前記毛髪の柔軟性を評価する評価ステップとを、有することを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る毛髪の柔軟性評価方法は、測定した毛髪の断面形状に基づいて、その断面形状の所定の方向に沿った毛髪の荷重と変位との関係を測定するため、毛髪の断面形状を考慮して柔軟性を評価することができる。毛髪の断面形状に対して、常に所定の方向に沿った測定を行うことにより、測定間の幾何学的条件を揃えることができ、統一した基準での毛髪の柔軟性評価を行うことができる。これにより、毛髪処理等に対する毛髪の柔軟性のわずかな変化でも評価することができ、評価精度を高めることができる。
【００１１】
本発明に係る毛髪の柔軟性評価方法で、毛髪の荷重と変位との関係は、毛髪の曲げ試験により測定することができる。試験ステップで、毛髪の一端を固定する方法は、いかなる方法であってもよく、例えば、硬化性の樹脂を使用する方法であってもよい。また、断面形状の所定の方向に沿って毛髪の荷重と変位との関係を測定するときには、測定精度を高めるために、顕微鏡で毛髪の形状と方向とを観察しながら行うのが好ましい。なお、ここでの毛髪とは、頭髪だけでなく、眉毛等も含むものである。
【００１２】
本発明に係る毛髪の柔軟性評価方法で、前記形状測定ステップは、例えば、前記断面形状を楕円近似したときの長軸と短軸とを求め、前記試験ステップは、少なくとも前記長軸および前記短軸のいずれか一方に沿った前記毛髪の荷重と変位との関係を測定することが好ましい。毛髪の断面形状は、人種や年齢、性別、毛髪の痛み具合などにより、さまざまに異なっていると考えられ、適切な断面形状を仮定して寸法の測定と試験とを実施すると共に、断面形状を考慮して断面二次モーメントを求めて最終的な柔軟性の評価を行うことが肝要である。
【００１３】
本発明に係る毛髪の柔軟性評価方法で、前記試験ステップは、前記毛髪の固定位置から所定の距離ｌの位置での前記毛髪の荷重Ｐと変位との関係を測定し、前記評価ステップは、変位とＰｌ３／３Ｉ（Ｉは荷重Ｐの負荷方向に対する前記毛髪の断面二次モーメント）との関係から、前記毛髪の柔軟性を評価することが好ましい。特に、本発明に係る毛髪の柔軟性評価方法で、前記毛髪は複数の層から成る断面構造を有し、前記評価ステップは、横軸を変位、縦軸をＰｌ３／３Ｉとして測定値をプロットしたときのグラフの傾きＳＥを求め、前記傾きＳＥから前記毛髪の各層の弾性率および／または厚みを評価してもよい。
【００１４】
この場合、本発明に係る毛髪の柔軟性評価方法は、以下の測定原理により毛髪の柔軟性を評価することができる。図３に示すように、一端が固定された、片持ちはり構造に対する毛髪の曲げ試験を考える。曲げ試験に使用する測定装置は、本発明者等により開発された特許文献１に記載の荷重測定装置を使用することができる。ここで、毛髪は、断面形状が楕円形状を成し、３層から成る断面構造を有するものとする。
【００１５】
毛髪の変形が微小であり、荷重点の移動がないものすれば、以下の式が成立する。
【数１】
ここで、ρはｘにおける曲率半径、Ｍは曲げモーメント、Ａは曲げ剛性、Ｅ、Ｉはそれぞれ縦弾性率、断面二次モーメントである。下添え字１、２、３はそれぞれ３層構造の中心部、中間層、最外層を表す。
【００１６】
長軸２ａ、短軸２ｂの楕円断面に対する短軸方向負荷に対する断面二次モーメントＩは、
【数２】
である。なお、長軸方向負荷に対する断面二次モーメントＩは、ａとｂとを入れ替えて得られる。
【００１７】
微分方程式（１）に式（２）を代入し、これを境界条件ｄｙ／ｄｘ｜ｘ＝０＝ｙ｜ｘ＝０のもとで解くと、次式が得られる。
【数３】
ここで、荷重（Ｐ）と変位（ｙ）との関係が負荷方向に依存することに注意が必要である。ｌは毛髪の固定端から荷重点までの距離である。
【００１８】
得られる毛髪に対する荷重−変位線図の傾きより、Ａを得ることができる。しかしながら、式（２）に示すように、Ａには３つのＥ（Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３）に加えて、３つのＩ（Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３）が含まれており、Ａの物理的意味を理解するのは困難である。仮に、６つの寸法（各層の長軸および短軸）を断面観察等により知り得たとしても、単一試験より３つのＥを分離決定することは困難である。そこで、直接得られるＡの力学的意味を考えることとする。
【００１９】
最外層の長軸、および短軸をそれぞれ２ａ、２ｂとする。また、中間層および中心部の長軸、および短軸の長さがそれぞれ２ａと２ｂのα倍、β倍（定数）であるとする。この場合、各層の断面二次モーメントは、Ｉ３＝Ｉ（１−α４）、Ｉ２＝Ｉ（α４−β４）、Ｉ１＝Ｉβ４となる。また、各層の縦弾性率を規準となるＥの値、ＥＳを用いて、Ｅ３＝ξＥＳ、Ｅ２＝ψＥＳ、Ｅ１＝ζＥＳと表す。ここでξ、ψ、ζは定数である。この場合、Ａは次式で表される。
【数４】
【００２０】
式（５）において、Ａ／Ｉに着目すれば、これは負荷方向によらない毛髪構造の弾性率を示すことがわかる。そこでこれをＳＥ（structural elastisity）と定義する。
【数５】
【００２１】
このように定義したＳＥは、（Ｐｌ３）／（３Ｉ）−変位関係の傾きに一致し、実験により求めることができる。ＳＥは、各層のＥと厚みとに関係する。外形寸法の相違は考慮されているため、ＳＥは個々の毛髪サンプルを比較するのにも適している。曲げ試験時には毛髪外表面に高い応力場が形成されるが、測定されるＳＥには内部層の特性も反映されることに注意が必要である。このように、新たな評価基準ＳＥを用い、弾性率と毛髪の内部構造とを関連付けて、毛髪の柔軟性を評価することができる。
【００２２】
本発明に係る毛髪の柔軟性評価方法で、前記形状測定ステップは、非接触で前記毛髪の断面形状を測定し、前記試験ステップは、前記毛髪の固定位置から１〜３ｍｍ離れた位置で、１５０μＮ以下の荷重範囲での前記毛髪の荷重と変位との関係を測定することが好ましい。この場合、試験試料の毛髪を損傷することなく、断面形状を測定することができ、試験ステップでの測定精度の低下を防ぐことができる。また、試験ステップで、毛髪が弾性変形する極微小区間での測定を行うことができる。断面形状の測定は、非接触であればいかなる方法で行ってもよく、例えば、レーザーを用いて行うことができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、毛髪の断面形状を考慮して柔軟性を評価することができ、さらに弾性率と毛髪の内部構造とを関連付けて評価を行うことができる毛髪の柔軟性評価方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施の形態の柔軟性評価方法で使用する荷重測定装置を示す側面図である。
【図２】本発明の実施の形態の柔軟性評価方法による（ａ）荷重（Ｐ）−変位（ｙ）曲線を示すグラフ、（ｂ）Ｐｌ３／３Ｉ−変位（ｙ）曲線を示すグラフの一例である。
【図３】（ａ）毛髪の曲げ試験の原理を示す側面図、（ｂ）毛髪の内部構造を示すＢ−Ｂ線断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の実施の形態の毛髪の柔軟性評価方法で使用する荷重測定装置を示している。荷重測定装置は、本発明者等により開発された特許文献１に記載の荷重測定装置であって、毛髪の曲げ試験を実施可能である。
図１に示すように、荷重測定装置１０は、支持部材１１と梁部材１２と荷重部１３と変位センサ１４とを有している。
【００２６】
支持部材１１は、３方向に位置を調整可能なＸＹＺステージ２１と、ＸＹＺステージ２１の上に載置された、水平２方向に微小移動可能なピエゾステージ２２と、ピエゾステージ２２の上に載置された、Ｌ型の側面形状を成す長さ調整ジグ２３と、長さ調整ジグ２３の上に取り付けられたセンサホルダ２４とを有している。
【００２７】
梁部材１２は、一端が連結された二重はり構造カレンチバーから成り、他端が長さ調整ジグ２３の下端部に取り付けられている。荷重部１３は、針状のチップから成り、梁部材１２の一端に固定されている。梁部材１２は、長さ方向に沿ってスライドして、固定位置と荷重部１３との距離を変更可能に、支持部材１１に支持されている。
【００２８】
変位センサ１４は、静電容量センサから成り、センサホルダ２４の先端に取り付けられている。変位センサ１４は、梁部材１２の一端部の表面との間に隙間をあけて、その表面に対向するよう取り付けられ、その表面との距離の変化を測定可能になっている。これにより、変位センサ１４は、荷重部１３の突出方向の変位を測定可能になっている。
【００２９】
以下に、本発明の実施の形態の毛髪の柔軟性評価方法について、実際の毛髪の試験例に基づいて説明する。
試験試料（Sample）として、同一人物の３本の毛髪からそれぞれ５ｍｍ程度の３試料（合計９試料）を採取した。シャープペンシルのペン先に硬化性樹脂をポンプ注入した後、毛髪試料を挿入することにより、毛髪試料の一端を固定した。シャープペンシルを固定し、顕微鏡で観察しながら、一端が固定された毛髪試料を３６度刻みで回転させて、断面形状を測定した。測定した断面形状を楕円近似し、各毛髪試料の長軸２ａと短軸２ｂとを求めた。その結果を、表１に示す。
【００３０】
【表１】
【００３１】
次に、図１に示す荷重測定装置１０を使用して、各毛髪試料の曲げ試験を行った。荷重部１３により、各毛髪試料の固定端からの距離ｌが２ｍｍおよび２．５ｍｍの位置に荷重を作用させ、梁部材１２のたわみを変位センサ１４で測定した。荷重範囲を１５０μＮ以下とし、毛髪が弾性変形する範囲で曲げ試験を行った。各毛髪試料の変形は、ｙ＝δＳ−δＣで与えられる。ここで、δＳはピエゾステージ２２の変位であり、δＣは梁部材１２のたわみである。毛髪試料に作用する力は、Ｐ＝ｋδＣで与えられる。ここで、ｋはばね定数で、試験時のｋは、２６．８μＮ／μｍであった。
【００３２】
曲げ試験は、各毛髪試料に対して、短軸および長軸に平行な２方向で、それぞれ２箇所（固定端からの距離ｌ＝２ｍｍおよび２．５ｍｍの位置）への負荷で行った。負荷をかける際には、顕微鏡で毛髪の形状と方向とを観察しながら行った。曲げ試験で得られた荷重（Ｐ）と変位（ｙ）との関係の一例を、図２（ａ）に示す。得られた荷重（Ｐ）と変位（ｙ）との関係から、横軸を変位（ｙ）、縦軸をＰｌ３／３Ｉとして測定値をプロットしたときのグラフを描く。図２（ａ）に示したものについて描いたグラフを、図２（ｂ）に示す。
【００３３】
図２（ｂ）に示すように、異なる負荷方向により得られたデータが良く一致しているのが確認できる。全ての毛髪試料について、Ｐｌ３／３Ｉ−変位（ｙ）曲線の傾きＳＥを求め、表１に示す。ここで、ｌ＝２ｍｍまたは２．５ｍｍであり、Ｉは荷重Ｐの負荷方向に対する毛髪の断面二次モーメントであり、測定された毛髪の断面形状に基づいて、（３）式から算出することができる。
【００３４】
図２（ａ）および（ｂ）から、異なる負荷方向に対する荷重−変位曲線の差異は、毛髪試料の断面二次モーメントによるものであり、断面二次モーメントを考慮した新たな柔軟性の評価基準ＳＥを使用すると、毛髪の柔軟性が負荷方向によらないことが確認された。（６）式に示すように、ＳＥは毛髪の内部構造を反映しているため、ＳＥを用いることにより、弾性率と毛髪の内部構造とを関連付けて、毛髪の柔軟性を評価することができる。また、ＳＥは、外形寸法の相違も考慮されているため、個々の毛髪サンプルを比較するのにも適している。
【００３５】
表１に示すように、毛髪試料Ａ１〜Ａ３のＳＥの値はそれぞれ、５．１２±０．１８、５．４９±０．２２、５．１６±０．１８ＧＰａであり、誤差５％未満の高精度なＳＥ測定を行うことができた。全毛髪試料のＳＥは、５．２６±０．２６ＧＰａであり、値のバラつきは５％未満であった。また、毛髪試料Ａ２のＳＥは、他のＳＥに比べて少し大きいことが確認できた。このことから、毛髪処理等によるＳＥの僅かな変化を検出するには、同一の毛髪を使用する必要があるといえる。
【００３６】
ここで、毛髪の形状がＳＥに及ぼす影響について検討する。（６）式中のα＝０．９、β＝０．１、ξ＝１、ψ＝０．２５、ζ＝０．４の場合を考える。この場合、（６）式から、ＳＥ＝０．５０ＥＳとなる。ここで、αの値のみ０．８と変化させると、ＳＥ＝０．６９ＥＳとなり、毛髪の各層の幾何学的形状変化により、ＳＥの値が大きく変動することがわかる。このことから、ＳＥを用いることにより、毛髪の各層の弾性率や厚みを評価することができることがわかる。
【実施例１】
【００３７】
本発明の実施の形態の毛髪の柔軟性評価方法を使用して、毛髪処理による毛髪の柔軟性の変化について評価を行った。評価には、３つの毛髪試料（Ａ１−２、Ａ２−１、Ａ２−２）を使用し、各毛髪試料に毛髪処理を施した。毛髪処理として、ＷＴ（３０秒の水処理）、ＳＴ（３０秒のシャンプー処理と３０秒の水処理）、ＣＴ（３０秒のコンディショナー処理と３０秒の水処理）を行った。各毛髪処理が終わってから４０分経過した後に、各毛髪試料についてＳＥを測定した。
【００３８】
測定したＳＥを、処理前の初期値で規格化した値（これをＲとする）を、表２に示す。表２に示すように、ＷＴ後のＲはおよそ０．９であり、ＷＴにより毛髪は１０％程度柔らかくなっている。また、ＳＴ後のＲもおよそ０．９であり、ＳＴによってＲはそれほど変わっていない。ＣＴ後のＲはおよそ０．７５である。ＣＴ後のＳＥの変化の内、１０％はＷＴによりもたらされたものである。従って、１５％がＣＴによる効果である。なお、ＳＥの値は、少なくとも１８日経過後には、元に戻った。また、ＷＴを３回繰返したところ、Ｒは０．９から変化しなかった。
【００３９】
【表２】
【００４０】
ここで、毛髪の内部構造との関係について検討する。各毛髪処理により毛髪の各層に幾何学的変化がないと仮定する。すなわち、ＳＥの変化が各層の弾性率の変化によるものとする。また、簡単のため、二層構造（β＝０）を考える。この場合、毛髪の最外層および中間層に対する変化モデルは、それぞれ
【数６】
となる。ここで、ξ０およびψ０は、毛髪処理前のξおよびψの初期値である。
【００４１】
α＝０．９、ξ０＝１、ψ０＝０．２５と仮定する。この場合、（７）式および（８）式から、Ｒ＝０．９、０．７５に対して、ξ／ξ０＝０．８５、０．６３、ψ／ψ０＝０．６９、０．２３と求まる。このことから、実際に観察されるＳＥの変化以上の変化が各層に生じていることがわかる。
【符号の説明】
【００４２】
１０ 荷重測定装置
１１ 支持部材
２１ ＸＹＺステージ
２２ ピエゾステージ
２３ 長さ調整ジグ
２４ センサホルダ
１２ 梁部材
１３ 荷重部
１４ 変位センサ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、毛髪の柔軟性評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
毛髪の柔軟性は、内部構造と大いに関連し、また、毛髪のしなやかさや風合いと相関するため、その評価が大変重要である（例えば、非特許文献１参照）。通常、毛髪の柔軟性を評価するには、束毛髪サンプルか単一毛髪サンプルが用いられる。束毛髪サンプルは、最も確からしい柔軟性を得るのに適しているが、毛髪間の幾何学的バラツキを平均化しているため、毛髪の力学特性変化を捉える際の感度は低下することとなる。例えば、毛髪処理等に対する柔軟性のわずかな変化を検出するには不向きである。これに対し、単一毛髪サンプルに対する特性の変化が束毛髪サンプルの特性変化を反映しているとの報告があり（例えば、非特許文献２参照）、毛髪の柔軟性の変化を議論するには単一毛髪サンプルを用いることが望ましい。
【０００３】
従来、単一毛髪の柔軟性を評価する方法の一つとして、曲げ試験による手法が用いられている（例えば、非特許文献３乃至６参照）。また、本発明者等により、平行ばねを利用して高精度で荷重測定を行うことができ、毛髪に対して極微小区間の曲げ試験を行うことができる荷重測定装置が開発されている（例えば、特許文献１参照）。毛髪の曲げ試験では、柔軟性を評価するときに、毛髪の断面形状を考慮することの重要性が指摘されている（例えば、非特許文献７参照）。ここで、毛髪は、最外層のキューティクル層（キューティクルと細胞膜複合体ＣＭＣ）、中間層のコルテックス層（コルテックスとＣＭＣ）、と中心部のメデュラの３層構造を成していることがわかっている（例えば、非特許文献８参照）。このため、曲げ試験から評価される柔軟性は、毛髪の内部構造、すなわち毛髪内部の各層の形状や弾性率に依存していると考えられる。
【０００４】
なお、毛髪内部の各層の弾性率は、既に測定されたことがあり（例えば、非特許文献６参照）、表面に露出した最外層の柔軟性は、原子間力顕微鏡等で測定することができる（例えば、非特許文献９または１０参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２０１０／０８４６６２
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Wortmann, F. J., Schwan-Jonczyk, A., “Investigating hair propertiesrelevant for hair ‘handle’. Part I: hair diameter, bending and frictionalproperties”, Int. J. Cosmet. Sci., 2006, 28, p.61-68
【非特許文献２】Robbins, C. R., Scott, G. V.,“Prediction of hair assembly characteristics from single fiber properties”, J.Soc. Cosmet. Chem., 1978, 29, p.783-792
【非特許文献３】Scott, G. V., Robbins, C. R., “A convenient method for measuring fiberstiffness”, Text. Res. J., 1969, 35, p.975-976
【非特許文献４】Scott, G. V. and Robbins, C. R., “Stiffness of human hair fibers”,J. Soc. Cosmet. Chem., 1978, 29, p.469-485
【非特許文献５】Wortmann, F. J., Kure, N., “Bending relaxation properties of humanhair and permanent waving performance”, J. Soc. Cosmet. Chem., 1990, 41, p.123-139
【非特許文献６】Sogabe, A.,Yasuda, M., Noda, A., “Physical properties of human hair 1 -Evaluation ofbending stress by measuring the major and the minor axis of human hair-“, J.Soc. Cosmet. Chem. Jpn., 2002, 36, p.207-216
【非特許文献７】Swift, J. A., “Some simple theoretical considerations on the bendingstiffness of human hair”, Int. J. Cosmet. Sci., 1995, 17, p.245-253
【非特許文献８】Robbins, C. R., “Chemical and Physical Behavior of Human Hair”, 4th ed.,Springer,2001
【非特許文献９】Parbhu, A. N., Bryson, W. G., “Disulfide bonds in the outer layer ofkeratin fibers confer higher mechanical rigidity: Correlative nano-indentationand elasticity measurement with an AFM”, Biochemistry, 1999, 38, p.11755-11761
【非特許文献１０】Swift, J. A., Smith, J. R., “Atomic force microscopy of human hair”,Scanning, 2000, 22, p.310-318
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
非特許文献７に記載のように、毛髪の曲げ試験では、柔軟性を評価するときに、毛髪の断面形状を考慮することが重要であることは指摘されているが、実際に毛髪の断面形状を考慮して柔軟性を高精度に評価したものは存在しない。また、曲げ試験により直接測定される弾性率と毛髪の内部構造との関連性については、これまで具体的に考慮されたことはなかった。
【０００８】
本発明は、このような課題に着目してなされたもので、毛髪の断面形状を考慮して柔軟性を高精度に評価することができ、さらに弾性率と毛髪の内部構造とを関連付けて評価を行うことができる毛髪の柔軟性評価方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明に係る毛髪の柔軟性評価方法は、毛髪の断面形状を測定する形状測定ステップと、前記毛髪の一端を固定し、前記断面形状の所定の方向に沿った前記毛髪の荷重と変位との関係を測定する試験ステップと、前記毛髪の荷重と変位との関係から、前記毛髪の柔軟性を評価する評価ステップとを、有することを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る毛髪の柔軟性評価方法は、測定した毛髪の断面形状に基づいて、その断面形状の所定の方向に沿った毛髪の荷重と変位との関係を測定するため、毛髪の断面形状を考慮して柔軟性を評価することができる。毛髪の断面形状に対して、常に所定の方向に沿った測定を行うことにより、測定間の幾何学的条件を揃えることができ、統一した基準での毛髪の柔軟性評価を行うことができる。これにより、毛髪処理等に対する毛髪の柔軟性のわずかな変化でも評価することができ、評価精度を高めることができる。
【００１１】
本発明に係る毛髪の柔軟性評価方法で、毛髪の荷重と変位との関係は、毛髪の曲げ試験により測定することができる。試験ステップで、毛髪の一端を固定する方法は、いかなる方法であってもよく、例えば、硬化性の樹脂を使用する方法であってもよい。また、断面形状の所定の方向に沿って毛髪の荷重と変位との関係を測定するときには、測定精度を高めるために、顕微鏡で毛髪の形状と方向とを観察しながら行うのが好ましい。なお、ここでの毛髪とは、頭髪だけでなく、眉毛等も含むものである。
【００１２】
本発明に係る毛髪の柔軟性評価方法で、前記形状測定ステップは、例えば、前記断面形状を楕円近似したときの長軸と短軸とを求め、前記試験ステップは、少なくとも前記長軸および前記短軸のいずれか一方に沿った前記毛髪の荷重と変位との関係を測定することが好ましい。毛髪の断面形状は、人種や年齢、性別、毛髪の痛み具合などにより、さまざまに異なっていると考えられ、適切な断面形状を仮定して寸法の測定と試験とを実施すると共に、断面形状を考慮して断面二次モーメントを求めて最終的な柔軟性の評価を行うことが肝要である。
【００１３】
本発明に係る毛髪の柔軟性評価方法で、前記試験ステップは、前記毛髪の固定位置から所定の距離ｌの位置での前記毛髪の荷重Ｐと変位との関係を測定し、前記評価ステップは、変位とＰｌ３／３Ｉ（Ｉは荷重Ｐの負荷方向に対する前記毛髪の断面二次モーメント）との関係から、前記毛髪の柔軟性を評価することが好ましい。特に、本発明に係る毛髪の柔軟性評価方法で、前記毛髪は複数の層から成る断面構造を有し、前記評価ステップは、横軸を変位、縦軸をＰｌ３／３Ｉとして測定値をプロットしたときのグラフの傾きＳＥを求め、前記傾きＳＥから前記毛髪の各層の弾性率および／または厚みを評価してもよい。
【００１４】
この場合、本発明に係る毛髪の柔軟性評価方法は、以下の測定原理により毛髪の柔軟性を評価することができる。図３に示すように、一端が固定された、片持ちはり構造に対する毛髪の曲げ試験を考える。曲げ試験に使用する測定装置は、本発明者等により開発された特許文献１に記載の荷重測定装置を使用することができる。ここで、毛髪は、断面形状が楕円形状を成し、３層から成る断面構造を有するものとする。
【００１５】
毛髪の変形が微小であり、荷重点の移動がないものすれば、以下の式が成立する。
【数１】
ここで、ρはｘにおける曲率半径、Ｍは曲げモーメント、Ａは曲げ剛性、Ｅ、Ｉはそれぞれ縦弾性率、断面二次モーメントである。下添え字１、２、３はそれぞれ３層構造の中心部、中間層、最外層を表す。
【００１６】
長軸２ａ、短軸２ｂの楕円断面に対する短軸方向負荷に対する断面二次モーメントＩは、
【数２】
である。なお、長軸方向負荷に対する断面二次モーメントＩは、ａとｂとを入れ替えて得られる。
【００１７】
微分方程式（１）に式（２）を代入し、これを境界条件ｄｙ／ｄｘ｜ｘ＝０＝ｙ｜ｘ＝０のもとで解くと、次式が得られる。
【数３】
ここで、荷重（Ｐ）と変位（ｙ）との関係が負荷方向に依存することに注意が必要である。ｌは毛髪の固定端から荷重点までの距離である。
【００１８】
得られる毛髪に対する荷重−変位線図の傾きより、Ａを得ることができる。しかしながら、式（２）に示すように、Ａには３つのＥ（Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３）に加えて、３つのＩ（Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３）が含まれており、Ａの物理的意味を理解するのは困難である。仮に、６つの寸法（各層の長軸および短軸）を断面観察等により知り得たとしても、単一試験より３つのＥを分離決定することは困難である。そこで、直接得られるＡの力学的意味を考えることとする。
【００１９】
最外層の長軸、および短軸をそれぞれ２ａ、２ｂとする。また、中間層および中心部の長軸、および短軸の長さがそれぞれ２ａと２ｂのα倍、β倍（定数）であるとする。この場合、各層の断面二次モーメントは、Ｉ３＝Ｉ（１−α４）、Ｉ２＝Ｉ（α４−β４）、Ｉ１＝Ｉβ４となる。また、各層の縦弾性率を規準となるＥの値、ＥＳを用いて、Ｅ３＝ξＥＳ、Ｅ２＝ψＥＳ、Ｅ１＝ζＥＳと表す。ここでξ、ψ、ζは定数である。この場合、Ａは次式で表される。
【数４】
【００２０】
式（５）において、Ａ／Ｉに着目すれば、これは負荷方向によらない毛髪構造の弾性率を示すことがわかる。そこでこれをＳＥ（structural elastisity）と定義する。
【数５】
【００２１】
このように定義したＳＥは、（Ｐｌ３）／（３Ｉ）−変位関係の傾きに一致し、実験により求めることができる。ＳＥは、各層のＥと厚みとに関係する。外形寸法の相違は考慮されているため、ＳＥは個々の毛髪サンプルを比較するのにも適している。曲げ試験時には毛髪外表面に高い応力場が形成されるが、測定されるＳＥには内部層の特性も反映されることに注意が必要である。このように、新たな評価基準ＳＥを用い、弾性率と毛髪の内部構造とを関連付けて、毛髪の柔軟性を評価することができる。
【００２２】
本発明に係る毛髪の柔軟性評価方法で、前記形状測定ステップは、非接触で前記毛髪の断面形状を測定し、前記試験ステップは、前記毛髪の固定位置から１〜３ｍｍ離れた位置で、１５０μＮ以下の荷重範囲での前記毛髪の荷重と変位との関係を測定することが好ましい。この場合、試験試料の毛髪を損傷することなく、断面形状を測定することができ、試験ステップでの測定精度の低下を防ぐことができる。また、試験ステップで、毛髪が弾性変形する極微小区間での測定を行うことができる。断面形状の測定は、非接触であればいかなる方法で行ってもよく、例えば、レーザーを用いて行うことができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、毛髪の断面形状を考慮して柔軟性を評価することができ、さらに弾性率と毛髪の内部構造とを関連付けて評価を行うことができる毛髪の柔軟性評価方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施の形態の柔軟性評価方法で使用する荷重測定装置を示す側面図である。
【図２】本発明の実施の形態の柔軟性評価方法による（ａ）荷重（Ｐ）−変位（ｙ）曲線を示すグラフ、（ｂ）Ｐｌ３／３Ｉ−変位（ｙ）曲線を示すグラフの一例である。
【図３】（ａ）毛髪の曲げ試験の原理を示す側面図、（ｂ）毛髪の内部構造を示すＢ−Ｂ線断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の実施の形態の毛髪の柔軟性評価方法で使用する荷重測定装置を示している。荷重測定装置は、本発明者等により開発された特許文献１に記載の荷重測定装置であって、毛髪の曲げ試験を実施可能である。
図１に示すように、荷重測定装置１０は、支持部材１１と梁部材１２と荷重部１３と変位センサ１４とを有している。
【００２６】
支持部材１１は、３方向に位置を調整可能なＸＹＺステージ２１と、ＸＹＺステージ２１の上に載置された、水平２方向に微小移動可能なピエゾステージ２２と、ピエゾステージ２２の上に載置された、Ｌ型の側面形状を成す長さ調整ジグ２３と、長さ調整ジグ２３の上に取り付けられたセンサホルダ２４とを有している。
【００２７】
梁部材１２は、一端が連結された二重はり構造カレンチバーから成り、他端が長さ調整ジグ２３の下端部に取り付けられている。荷重部１３は、針状のチップから成り、梁部材１２の一端に固定されている。梁部材１２は、長さ方向に沿ってスライドして、固定位置と荷重部１３との距離を変更可能に、支持部材１１に支持されている。
【００２８】
変位センサ１４は、静電容量センサから成り、センサホルダ２４の先端に取り付けられている。変位センサ１４は、梁部材１２の一端部の表面との間に隙間をあけて、その表面に対向するよう取り付けられ、その表面との距離の変化を測定可能になっている。これにより、変位センサ１４は、荷重部１３の突出方向の変位を測定可能になっている。
【００２９】
以下に、本発明の実施の形態の毛髪の柔軟性評価方法について、実際の毛髪の試験例に基づいて説明する。
試験試料（Sample）として、同一人物の３本の毛髪からそれぞれ５ｍｍ程度の３試料（合計９試料）を採取した。シャープペンシルのペン先に硬化性樹脂をポンプ注入した後、毛髪試料を挿入することにより、毛髪試料の一端を固定した。シャープペンシルを固定し、顕微鏡で観察しながら、一端が固定された毛髪試料を３６度刻みで回転させて、断面形状を測定した。測定した断面形状を楕円近似し、各毛髪試料の長軸２ａと短軸２ｂとを求めた。その結果を、表１に示す。
【００３０】
【表１】
【００３１】
次に、図１に示す荷重測定装置１０を使用して、各毛髪試料の曲げ試験を行った。荷重部１３により、各毛髪試料の固定端からの距離ｌが２ｍｍおよび２．５ｍｍの位置に荷重を作用させ、梁部材１２のたわみを変位センサ１４で測定した。荷重範囲を１５０μＮ以下とし、毛髪が弾性変形する範囲で曲げ試験を行った。各毛髪試料の変形は、ｙ＝δＳ−δＣで与えられる。ここで、δＳはピエゾステージ２２の変位であり、δＣは梁部材１２のたわみである。毛髪試料に作用する力は、Ｐ＝ｋδＣで与えられる。ここで、ｋはばね定数で、試験時のｋは、２６．８μＮ／μｍであった。
【００３２】
曲げ試験は、各毛髪試料に対して、短軸および長軸に平行な２方向で、それぞれ２箇所（固定端からの距離ｌ＝２ｍｍおよび２．５ｍｍの位置）への負荷で行った。負荷をかける際には、顕微鏡で毛髪の形状と方向とを観察しながら行った。曲げ試験で得られた荷重（Ｐ）と変位（ｙ）との関係の一例を、図２（ａ）に示す。得られた荷重（Ｐ）と変位（ｙ）との関係から、横軸を変位（ｙ）、縦軸をＰｌ３／３Ｉとして測定値をプロットしたときのグラフを描く。図２（ａ）に示したものについて描いたグラフを、図２（ｂ）に示す。
【００３３】
図２（ｂ）に示すように、異なる負荷方向により得られたデータが良く一致しているのが確認できる。全ての毛髪試料について、Ｐｌ３／３Ｉ−変位（ｙ）曲線の傾きＳＥを求め、表１に示す。ここで、ｌ＝２ｍｍまたは２．５ｍｍであり、Ｉは荷重Ｐの負荷方向に対する毛髪の断面二次モーメントであり、測定された毛髪の断面形状に基づいて、（３）式から算出することができる。
【００３４】
図２（ａ）および（ｂ）から、異なる負荷方向に対する荷重−変位曲線の差異は、毛髪試料の断面二次モーメントによるものであり、断面二次モーメントを考慮した新たな柔軟性の評価基準ＳＥを使用すると、毛髪の柔軟性が負荷方向によらないことが確認された。（６）式に示すように、ＳＥは毛髪の内部構造を反映しているため、ＳＥを用いることにより、弾性率と毛髪の内部構造とを関連付けて、毛髪の柔軟性を評価することができる。また、ＳＥは、外形寸法の相違も考慮されているため、個々の毛髪サンプルを比較するのにも適している。
【００３５】
表１に示すように、毛髪試料Ａ１〜Ａ３のＳＥの値はそれぞれ、５．１２±０．１８、５．４９±０．２２、５．１６±０．１８ＧＰａであり、誤差５％未満の高精度なＳＥ測定を行うことができた。全毛髪試料のＳＥは、５．２６±０．２６ＧＰａであり、値のバラつきは５％未満であった。また、毛髪試料Ａ２のＳＥは、他のＳＥに比べて少し大きいことが確認できた。このことから、毛髪処理等によるＳＥの僅かな変化を検出するには、同一の毛髪を使用する必要があるといえる。
【００３６】
ここで、毛髪の形状がＳＥに及ぼす影響について検討する。（６）式中のα＝０．９、β＝０．１、ξ＝１、ψ＝０．２５、ζ＝０．４の場合を考える。この場合、（６）式から、ＳＥ＝０．５０ＥＳとなる。ここで、αの値のみ０．８と変化させると、ＳＥ＝０．６９ＥＳとなり、毛髪の各層の幾何学的形状変化により、ＳＥの値が大きく変動することがわかる。このことから、ＳＥを用いることにより、毛髪の各層の弾性率や厚みを評価することができることがわかる。
【実施例１】
【００３７】
本発明の実施の形態の毛髪の柔軟性評価方法を使用して、毛髪処理による毛髪の柔軟性の変化について評価を行った。評価には、３つの毛髪試料（Ａ１−２、Ａ２−１、Ａ２−２）を使用し、各毛髪試料に毛髪処理を施した。毛髪処理として、ＷＴ（３０秒の水処理）、ＳＴ（３０秒のシャンプー処理と３０秒の水処理）、ＣＴ（３０秒のコンディショナー処理と３０秒の水処理）を行った。各毛髪処理が終わってから４０分経過した後に、各毛髪試料についてＳＥを測定した。
【００３８】
測定したＳＥを、処理前の初期値で規格化した値（これをＲとする）を、表２に示す。表２に示すように、ＷＴ後のＲはおよそ０．９であり、ＷＴにより毛髪は１０％程度柔らかくなっている。また、ＳＴ後のＲもおよそ０．９であり、ＳＴによってＲはそれほど変わっていない。ＣＴ後のＲはおよそ０．７５である。ＣＴ後のＳＥの変化の内、１０％はＷＴによりもたらされたものである。従って、１５％がＣＴによる効果である。なお、ＳＥの値は、少なくとも１８日経過後には、元に戻った。また、ＷＴを３回繰返したところ、Ｒは０．９から変化しなかった。
【００３９】
【表２】
【００４０】
ここで、毛髪の内部構造との関係について検討する。各毛髪処理により毛髪の各層に幾何学的変化がないと仮定する。すなわち、ＳＥの変化が各層の弾性率の変化によるものとする。また、簡単のため、二層構造（β＝０）を考える。この場合、毛髪の最外層および中間層に対する変化モデルは、それぞれ
【数６】
となる。ここで、ξ０およびψ０は、毛髪処理前のξおよびψの初期値である。
【００４１】
α＝０．９、ξ０＝１、ψ０＝０．２５と仮定する。この場合、（７）式および（８）式から、Ｒ＝０．９、０．７５に対して、ξ／ξ０＝０．８５、０．６３、ψ／ψ０＝０．６９、０．２３と求まる。このことから、実際に観察されるＳＥの変化以上の変化が各層に生じていることがわかる。
【符号の説明】
【００４２】
１０ 荷重測定装置
１１ 支持部材
２１ ＸＹＺステージ
２２ ピエゾステージ
２３ 長さ調整ジグ
２４ センサホルダ
１２ 梁部材
１３ 荷重部
１４ 変位センサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
毛髪の断面形状を測定する形状測定ステップと、
前記毛髪の一端を固定し、前記断面形状の所定の方向に沿った前記毛髪の荷重と変位との関係を測定する試験ステップと、
前記毛髪の荷重と変位との関係から、前記毛髪の柔軟性を評価する評価ステップとを、
有することを特徴とする毛髪の柔軟性評価方法。
【請求項２】
前記形状測定ステップは、前記断面形状を楕円近似したときの長軸と短軸とを求め、
前記試験ステップは、少なくとも前記長軸および前記短軸のいずれか一方に沿った前記毛髪の荷重と変位との関係を測定することを、
特徴とする請求項１記載の毛髪の柔軟性評価方法。
【請求項３】
前記試験ステップは、前記毛髪の固定位置から所定の距離ｌの位置での前記毛髪の荷重Ｐと変位との関係を測定し、
前記評価ステップは、変位とＰｌ３／３Ｉ（Ｉは荷重Ｐの負荷方向に対する前記毛髪の断面二次モーメント）との関係から、前記毛髪の柔軟性を評価することを、
特徴とする請求項１または２記載の毛髪の柔軟性評価方法。
【請求項４】
前記毛髪は複数の層から成る断面構造を有し、
前記評価ステップは、横軸を変位、縦軸をＰｌ３／３Ｉとして測定値をプロットしたときのグラフの傾きＳＥを求め、前記傾きＳＥから前記毛髪の各層の弾性率および／または厚みを評価することを、
特徴とする請求項３記載の毛髪の柔軟性評価方法。
【請求項５】
前記形状測定ステップは、非接触で前記毛髪の断面形状を測定し、
前記試験ステップは、前記毛髪の固定位置から１〜３ｍｍ離れた位置で、１５０μＮ以下の荷重範囲での前記毛髪の荷重と変位との関係を測定することを、
特徴とする請求項１、２、３または４記載の毛髪の柔軟性評価方法。
【請求項１】
毛髪の断面形状を測定する形状測定ステップと、
前記毛髪の一端を固定し、前記断面形状の所定の方向に沿った前記毛髪の荷重と変位との関係を測定する試験ステップと、
前記毛髪の荷重と変位との関係から、前記毛髪の柔軟性を評価する評価ステップとを、
有することを特徴とする毛髪の柔軟性評価方法。
【請求項２】
前記形状測定ステップは、前記断面形状を楕円近似したときの長軸と短軸とを求め、
前記試験ステップは、少なくとも前記長軸および前記短軸のいずれか一方に沿った前記毛髪の荷重と変位との関係を測定することを、
特徴とする請求項１記載の毛髪の柔軟性評価方法。
【請求項３】
前記試験ステップは、前記毛髪の固定位置から所定の距離ｌの位置での前記毛髪の荷重Ｐと変位との関係を測定し、
前記評価ステップは、変位とＰｌ３／３Ｉ（Ｉは荷重Ｐの負荷方向に対する前記毛髪の断面二次モーメント）との関係から、前記毛髪の柔軟性を評価することを、
特徴とする請求項１または２記載の毛髪の柔軟性評価方法。
【請求項４】
前記毛髪は複数の層から成る断面構造を有し、
前記評価ステップは、横軸を変位、縦軸をＰｌ３／３Ｉとして測定値をプロットしたときのグラフの傾きＳＥを求め、前記傾きＳＥから前記毛髪の各層の弾性率および／または厚みを評価することを、
特徴とする請求項３記載の毛髪の柔軟性評価方法。
【請求項５】
前記形状測定ステップは、非接触で前記毛髪の断面形状を測定し、
前記試験ステップは、前記毛髪の固定位置から１〜３ｍｍ離れた位置で、１５０μＮ以下の荷重範囲での前記毛髪の荷重と変位との関係を測定することを、
特徴とする請求項１、２、３または４記載の毛髪の柔軟性評価方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−２２５６５２（Ｐ２０１２−２２５６５２Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１５日（２０１２．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−９０５００（Ｐ２０１１−９０５００）
【出願日】平成２３年４月１４日（２０１１．４．１４）
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【出願人】（０００００１９５９）株式会社 資生堂 (1,748)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月１５日（２０１２．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月１４日（２０１１．４．１４）
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【出願人】（０００００１９５９）株式会社 資生堂 (1,748)
【Ｆターム（参考）】
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