JP5838165B2 - 材料試験機 - Google Patents

Description

本発明は、試験片に引張応力や圧縮応力を加えて材料の機械的性質を試験する材料試験機に関連し、特に円管状の試験片に内圧を与えながら軸力を与えて二軸応力試験を行う円管バルジ試験機に関する。

高精度なプレス成形シミュレーションを実現するためには、多軸応力試験による高精度な材料特性評価が必要となる。特に、大ひずみ域における材料特性評価には液圧バルジ試験が有効であることが知られている。非特許文献１には、円管状の試験片に内圧を与えながら軸力を与えて液圧バルジ試験を行う軸力−内圧型円管バルジ試験機（以下、「円管バルジ試験機」という。）が開示されている。円管バルジ試験においては、試験片の管軸方向中央部が膨張（円周方向及び管軸方向に拡張）し、縦断面が釣鐘状のバルジ頂部を形成する。試験片のバルジ頂部における外径、肉厚、管軸方向曲率半径及び試験荷重（内圧及び軸力）に基づいて、円周方向及び管軸方向の２方向の応力が求められる。

桑原利彦"軸力−内圧型円管バルジ試験機による大ひずみ域高精度材料モデリング"［2011年11月8日検索］、インターネット＜URL：http://www.tuat.ac.jp/~seeds/jseeds/07seedstext/093-0185/parts/0185.pdf＞

しかしながら、試験片は管軸に対して完全に軸対称ではなく、方向（管軸周りの方位）によって外径や肉厚が異なる。また、そのためにバルジ頂部の変形量も管軸に対して非対称なものとなる。従来は一方向のみで試験片の外径を測定していたため、外径の測定値にバラツキが発生し、試験片のひずみの計測精度が低くなっていた。

本発明は、上記の事情を背景になされたものであり、試験片の変形挙動の測定にひずみゲージを使用せずに高精度の軸力−内圧型円管バルジ試験が可能な材料試験機を提供することを目的とする。

本発明の実施形態によれば、円管状の試験片に内圧と管軸方向の応力とを与えて該試験片のひずみを計測する材料試験機が提供される。本発明の実施形態に係る材料試験機は、試験片の管軸方向の有効長中央部における外周面の半径方向の変位を検出する複数の径方向変位検出部と、試験片の有効長中央部における外周面の管軸方向の変位を検出する軸方向変位検出部と、径方向変位検出部及び軸方向変位検出部の検出結果に基づいて、試験片の有効長中央部における円周方向及び管軸方向ひずみを演算する演算部とを備え、複数の径方向変位検出部が、試験片の管軸周りの互いに異なる方位における変位を検出するように構成される。

この構成によれば、試験片の外径の測定値のバラツキが低く抑えられ、試験片のひずみを高精度に計測することが可能になる。

なお、複数の径方向変位検出部が、前記試験片の管軸周りに１２０°間隔で配置された第１、第２及び第３径方向変位検出部を含む構成としてもよい。

この構成によれば、試験片の管軸周りの方位において偏りなく検出した半径方向の変位に基づいて直径が計測されるため、誤差の少ない直径の計測値が得られる。

また、複数の径方向変位検出部は、それぞれ試験片の有効長中央部における外周面の半径方向の変位を検出する第１変位計を備え、複数の径方向変位検出部の少なくとも一つは、第１変位計に対して管軸方向に並べて配置された、試験片の外周面の半径方向の変位を検出する第２変位計を備え、演算部は、少なくとも一つの径方向変位検出部の第１及び第２変位計の検出結果に基づいて、試験片の有効長中央部における外周面の管軸方向曲率半径を計算するように構成されていてもよい。

第１、第２及び第３変位計は、先端が試験片の外周面に垂直に付き当てられて、試験片の外周面の半径方向の変位に従って長さ方向に移動自在に設けられたニードルを備え、ニードルの変位を検出することにより、試験片の外周面の半径方向の変位を検出するように構成されてもよい。

この構成によれば、ニードルを試験片の外周面に付き当てるだけで試験片の変形を測定することができるため、例えばひずみゲージを試験片に貼り付ける等の煩雑な準備作業を要さず、効率的な測定が可能になる。また、ニードルの変位量は市販の変位計により容易に高精度で測定することができる。

変位計は、固定フレームと、固定フレームに対して試験片の半径方向にスライド自在に設けられた可動フレームと、胴部と該胴部の一端から試験片の半径方向に伸縮自在に突出する接触子を備え、胴部が可動フレームに取り付けられた接触式変位センサと、を備え、接触子の先端が固定フレームに設けられた接触子突き当て板に当接されており、ニードルが、長さ方向を試験片の半径方向に向け、可動フレームの試験片と対向する一端から突出するように可動フレームに取り付けられている構成としてもよい。

この構成によれば、例えば市販の接触式変位センサの寸法・形状による制約を受けずに、ニードルの配置を自由に設定することができ、組立性や使い勝手に優れた材料試験機が実現する。

また、本発明の実施形態によれば、試験片に所定方向の応力を加えて試験片の応答を測定する材料試験機が提供される。本発明の実施形態に係る材料試験機は、フレームと、フレームに対して所定方向へ移動可能に設けられ、試験片の一端を固定する可動チャックを備えた第１可動部と、フレームに固定され、試験片の他端を固定する固定チャックを備えた固定部と、第１可動部と固定部との間にフレームに対して所定方向へ移動可能に設けられ、試験片に応力が加えられているときに試験片の所定方向中央部における応答を測定する中央部測定器を備えた第２可動部と、フレームに固定され、第１可動部を所定方向へ駆動するアクチュエータと、フレーム、第１可動部及び第２可動部を連結し、第１可動部の移動に応じて中央部測定器を可動チャックと固定チャックの中央に移動させるリンク機構とを備える。

上記の構成によれば、試験片の伸縮に応じて中央部測定器が試験片の軸方向中央部に移動するため、中央部測定器により常に試験片の中央部を測定することができる。

また、所定方向へ延びるレールを更に備え、第１可動部は、レールと係合する第１ランナーブロックを備え、該第１ランナーブロックにより所定方向にスライド自在に支持され、第２可動部は、レールと係合する第２ランナーブロックを備え、該第２ランナーブロックにより所定方向へスライド自在に支持される構成としてもよい。

この構成によれば、第１及び第２可動部が、それぞれ第１及び第２ランナーブロックにより支持されるため、第１及び第２可動部の重量により試験片に不要な曲げ応力等が加わることがない。また、第１及び第２可動部が所定方向（軸力方向）へ低抵抗に移動できるため、試験荷重が減衰されることなく、試験片に加えられ、高精度の材料試験が可能になる。

また、固定部は、試験片に加わる所定方向の荷重を測定する荷重センサと、所定方向へ移動自在にレールと係合する第３ランナーブロックとを更に備え、固定チャックは、第３ランナーブロック上に配置され、荷重センサを介してフレームに固定される構成としてもよい。

この構成によれば、固定チャックの重量が第３ランナーブロックにより支持されるため、第３ランナーブロックの重量により試験片に不要な曲げ応力が加えられることがない。また、固定チャックが所定方向（軸力方向）へ低抵抗に移動できるため、試験荷重が減衰されることなく、荷重センサに伝達され、高精度の材料試験が可能になる。

また、リンク機構は、一端が第１ピンを介して第１可動部に回転可能に連結された第１リンクと、一端が第２ピンを介して第２可動部に回転可能に連結された第２リンクと、一端が、第２ピンに対して第１ピンと反対側に配置された第３ピンを介して、フレームに回転可能に連結された第３リンクとを有し、第１リンクの他端と第３リンクの他端が第４ピンを介して回転可能に連結され、第２リンクの他端が第５ピンを介して第１又は第３リンクに回転可能に連結され、第４ピンと第１ピンの間隔は第４ピンと第３ピンの間隔に等しく、第５ピンと第２ピンの間隔は第５ピンと、第１及び第３ピンのうち第５ピンと同一のリンクを連結するものとの間隔に等しい構成としもよい。

第１可動部、第２可動部及び固定部は、それぞれ第１、第２、第３ランナーブロックが下面に取り付けられたベースプレートを備え、可動チャック、中央部測定器及び固定チャックは、それぞれ各ベースプレートの上面に取り付けられて、ベースプレートの上方に配置され、リンク機構は、各ベースプレートの下面に取り付けられて、ベースプレートの下方に配置された構成としてもよい。

この構成によれば、可動チャック、中央部測定器及び固定チャックを操作する際に、リンク機構によって作業が干渉されることが無く、中央部測定器やチャックの操作やメンテナンスを容易に行うことができる。

また、フレームは水平面の上面を有する定盤を備え、レールはフレームの上面に取り付けられ、定盤の一側面中央部は水平方向に切り欠かれて、レールに沿って形成された底部を有する凹部が形成され、リンク機構が凹部内に配置される構成としてもよい。

この構成によれば、リンク機構が、定盤の凹部内に収容されて、定盤から側方に突出しないため、試験片の着脱やメンテナンス等の作業をリンク機構に干渉されずに効率的に行うことが可能になる。

簡単な構成により高精度の材料試験が可能な材料試験機が提供される。

図１は、本発明の実施形態に係る材料試験機の正面図である。 図２は、本発明の実施形態に係る材料試験機の上面図である。 図３は、図２におけるＡ−Ａ矢示図である。 図４は、センサユニット移動機構の上面図である。 図５は、センサユニットの側面図である。 図６は、センサユニットの正面図である。 図７は、第１径方向変位検出部の上面図である。 図８は、軸方向変位検出部の側面図である。 図９は、軸方向変位検出部をＹ’軸正方向で見た図である。 図１０は、図９におけるＢ−Ｂ矢視図である。 図１１は、固定チャック及び可動チャックの上面図である。 図１２は、固定チャック及び可動チャックの縦断面図である。 図１３は、図１２におけるＣ−Ｃ矢視図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。本発明の実施形態に係る材料試験機１は、円管状の試験片Ｔに対して内圧と共に軸力を与え、このときの試験片Ｔの弾塑性挙動を測定する軸力−内圧型円管バルジ試験を行うための装置である。図１及び図２は、それぞれ材料試験機１の正面図及び上面図である。図３は、図２のＡ−Ａ矢視図であり、後述のフレーム１０及びセンサユニット移動機構１００のみを示す。なお、以下の説明において、図１における左右方向をＸ軸方向（右方向をＸ軸正方向）、紙面に垂直な方向をＹ軸方向（紙面の表側から裏側へ向かう方向をＹ軸正方向）、上下方向をＺ軸方向（上方向をＺ軸正方向）とする。また、図２における上下方向（Ｙ軸方向）を「奥行方向」とし、上側を「奥」側、下側を「手前」側と呼ぶ。

材料試験機１は、フレーム１０、油圧シリンダ２０、第１可動部３０、第２可動部４０、固定部５０、センサユニット移動機構１００と、図示しない油圧源、液圧源及び制御部を備えている。なお、油圧源は油圧シリンダ２０を駆動するための油圧を供給する装置であり、液圧源は試験片Ｔの管内に加圧液体（例えば防錆剤を混合した水）を供給する装置である。フレーム１０は材料試験機１の各部を支持する台枠であり、油圧源、液圧源及び制御装置を除く材料試験機１の各部はフレーム１０の上面に設けられた定盤１２に取り付けられている。定盤１２のＸ軸方向中央部には手前側と奥側にそれぞれ略矩形の凹部１２ａが形成されており、定盤１２は上面図（図２）において概略Ｈ形の外形を有している。また、フレーム１０は、フレーム１０の奥行方向両側面を覆う一対の外側壁１４と、定盤１２の各凹部１２ａの辺縁部の下面からそれぞれ垂直に延びる略Ｕ字状の水平断面を有する一対の内側壁１６と、内側壁１６と外側壁１４とで囲まれて形成された一対の内部空間Ｓの開口をそれぞれ塞ぐ一対の水平な底板１８とを備えている。

図４は、センサユニット移動機構１００の上面図である。センサユニット移動機構１００は、第２可動部４０（端的には後述のセンサユニット２００）が第１可動部３０と固定部５０の中間点に常に正確に配置されるように、第１可動部３０の移動に従って第２可動部４０を移動する機構である。センサユニット移動機構１００は、リニアガイド１２０とリンク機構１４０を二組備えている。各リニアガイド１２０は、１つのレール１２１と、レール１２１と係合してレール１２１に沿ってスムーズに移動可能な３つのランナーブロック１２２、１２３、１２４を備えている。２組のリニアガイド１２０のレール１２１は、それぞれ定盤１２に形成された一対の凹部１２ａの間に配置されている。すなわち、Ｘ軸方向に延びる２本のレール１２１が、Ｙ軸方向に所定の間隔を空けて平行に並べられ、定盤１２の上面に固定されている。各リニアガイド１２０のランナーブロック１２２及び１２３には、第１可動部３０及び第２可動部４０がそれぞれ取り付けられており、第１可動部３０及び第２可動部４０はそれぞれリニアガイド１２０によりＸ軸方向にスムーズに移動可能に構成されている。各ランナーブロック１２４には、固定部５０のチャック５２（後述）が取り付けられている。また、ランナーブロック１２２、１２３、１２４は、リンク機構１４０によって連結されており、ランナーブロック１２２が移動してもランナーブロック１２３が常にランナーブロック１２２と１２４の中間に正確に配置されるように構成されている。リンク機構１４０の詳細は後述する。また、定盤１２上には、ランナーブロック１２２の位置を検出する図示しないリニアエンコーダが設けられている。リニアエンコーダは制御部と通信可能に接続されており、試験中にリニアエンコーダが検出する第１可動部３０の位置情報（すなわち後述するチャック３２の位置情報）は制御部に送られて、制御部の記憶装置に記録される。

油圧シリンダ２０は、図示しない油圧源から供給される油圧によりＸ軸方向に直線駆動する油圧式の直動アクチュエータである。油圧シリンダ２０のシリンダチューブ２１は、ブラケット２４を介して定盤１２のＸ軸負方向端部に固定されている。シリンダチューブ２１のＸ軸正方向端からは、Ｘ軸方向に移動するピストンロッド２２が突出している。ピストンロッド２２の先端には、ピストンロッド２２とチャック３２とを連結するアタッチメント２３が設けられている。

第１可動部３０は、ベース３１、チャック（可動チャック）３２及び連結部材３３を備えている。ベース３１の下面の奥行方向両端部には各リニアガイド１２０のランナーブロック１２２が取り付けられている。また、ベース３１の上面には、試験片Ｔの一端を把持するチャック３２が取り付けられている。従って、チャック３２の比較的に大きな重量は、ベース３１及び２組のリニアガイド１２０によってＸ軸方向にスライド自在に支持されている。また、チャック３２の背面（図１における左側面）は連結部材３３を介して油圧シリンダ２０のアタッチメント２３に固定されており、ピストンロッド２２の移動に従ってチャック３２はＸ軸方向に駆動される。上述のようにチャック３２の比較的に大きな重量をリニアガイド１２０によってスライド自在に支持する構成により、油圧シリンダ２０には曲げモーメントが加わらず、油圧シリンダ２０によるスムーズかつ正確なＸ軸方向の駆動が可能になる。また、試験片Ｔにも不要な曲げ応力が加わらず、正確な試験が可能になる。

第２可動部４０は、ベース４１及びセンサユニット２００を備えている。ベース４１の下面の奥行方向両端部には、各リニアガイド１２０のランナーブロック１２３がそれぞれ取り付けられている。また、ベース４１の上面には、試験片Ｔの長さ方向（Ｘ軸方向）中央部の形状を測定するセンサユニット２００が取り付けられている。センサユニット２００の詳細は後述する。

固定部５０は、ベース５１、チャック（固定チャック）５２、連結部材５３、ロードセル５４及びブラケット５５を備えている。ベース５１の上面には、試験片Ｔの他端を把持するチャック５２が取り付けられている。ベース５１の下面の奥行方向両端には、各リニアガイド１２０のランナーブロック１２４がそれぞれ取り付けられている。従って、チャック５２の比較的に大きな重量は、ベース５１及び２組のリニアガイド１２０によってＸ軸方向にスライド自在に支持されている。また、チャック５２の背面（図１における右側面）には、連結部材５３を介してロードセル５４の取り付け台座が取り付けられている。ロードセル５４の荷重受座（図１における右側面のプレート）からは荷重受けバー５４ａが垂直に突出しており、荷重受けバー５４ａは定盤１２に取り付けられたブラケット５５に固定されている。このように配置されたロードセル５４により、試験片Ｔに加わるＸ軸方向の試験荷重（軸力）が検出される。また、上述のように、チャック５２の比較的に大きな重量をリニアガイド１２０によってスライド自在に支持する構成により、ロードセル５４に大きな曲げモーメントが加わらず、ロードセル５４による正確な軸力の測定が可能になる。また、チャック５２はリニアガイド１２０上をＸ軸方向に低抵抗で移動できるため、チャック５２に加わる軸力は、ほとんど損失せずにロードセル５４に伝達され、ロードセル５４により正確に検出される。また、ロードセル５４は制御部に接続されており、ロードセルの検出信号（ひずみゲージの抵抗値）は制御部が備える周知のブリッジ回路によって読み出されて、試験荷重データに変換される。試験中にロードセル５４が検出した試験荷重の情報は、同時に検出された第１可動部３０の位置情報と対応づけられて、制御部のメモリーに記録される。

次に、図１、図３及び図４を参照して、リンク機構１４０について説明する。なお、本実施形態では、２つのリンク機構１４０が、それぞれフレーム１０の内部空間Ｓ内に縦置きに配置されている。２つリンク機構１４０の構造は、互いに鏡像の関係にあるため、手前側のリンク機構１４０の構造についてのみ詳細に説明する。

リンク機構１４０は、ピンによって回転自在に連結された３つの長板状のリンク（可動リンク）１４１、１４２及び１４３と、定盤１２の上面に固定された固定リンク１４０ａを有している。各可動リンクの両端にはピンを通すための連結穴が開けられており、固定リンク１４０ａには一端に連結穴が開けられている。また、可動リンク１４３には、両端の連結穴の中間に３つ目の連結穴が開けられている。なお、連結する２つのリンクの一方の連結穴には、ピンを回転自在に保持する軸受が設けられており、これにより各リンクは互いにスムーズに回転可能に連結される。リンク１４１とリンク１４３は、同じリンク長（両端に設けられた連結穴の間隔）２Ｌを有する同尺の部材であり、リンク１４２はその半分のリンク長Ｌを有している。

図４に示すように、ベース３１及び４１の奥行方向両端には、それぞれピン固定具１４５ａ及び１４６ａによりピン１４５及び１４６が固定されている。リンク１４１の一端の連結穴にピン１４５が差し込まれ、リンク１４１はピン１４５を介してベース３１に回転自在に連結されている。同様に、リンク１４２はピン１４６を介してベース４１に回転自在に連結されている。また、リンク１４３の一端は、ピン１４７を介して固定リンク１４０ａの一端と回転自在に連結されている。リンク１４１の他端は、リンク１４３の他端と、ピン１４８を介して回転自在に連結されている。また、リンク１４２の他端は、リンク１４３の中央部と、ピン１４９を介して回転自在に連結されている。

上記のように、リンク１４１とリンク１４３はリンク長が等しいため、ピン１４５、１４７及び１４８を頂点とする三角形は二等辺三角形（以下、「二等辺三角形５７８」という。）となる。また、リンク１４２のリンク長はリンク１４３のリンク長の半分であり、またリンク１４２の他端の連結穴がリンク１４３の長さ方向中央の連結穴とピン１４９により連結されているため、ピン１４６、１４７及び２４９を結ぶと二等辺三角形（以下、「二等辺三角形６７９」という。）となる。二等辺三角形５７８と二等辺三角形６７９は、相似比が２：１の相似図形となる。従って、第１可動部３０（ピン１４５）が移動しても、ピン１４６は常にピン１４５とピン１４７の中間点に位置する。すなわち、油圧シリンダ２０に駆動されて第１可動部３０がＸ軸方向に移動すると、ピン１４５によって第１可動部３０と連結されたリンク機構１４０が作動し、ピン１４６によりリンク機構１４０に連結された第２可動部４０が、移動後の第１可動部３０と固定部５０の中間点に移動する。なお、ピン１４５、１４６、１４７は、それぞれ第１可動部３０、第２可動部４０、固定部５０（具体的には、ベース３１、４１、５１）のＸ軸方向における基準位置（Ｘ軸基準点）に取り付けられている。第１可動部３０及び固定部５０のＸ軸基準点には、試験片Ｔを材料試験機１に取り付けた際に、試験片Ｔの実質的な端部（チャックによってクランプされていない変形可能な部分の端部）が配置される。従って、第２可動部４０のＸ軸基準点には、試験片Ｔのスパンの中間点（試験片Ｔの有効長の中間点）が配置される。また、第２可動部４０に設けられたセンサユニット２００は、第２可動部４０のＸ軸基準点における試験片Ｔの形状を測定するように構成されている。そのため、試験中に試験荷重によって試験片Ｔの長さが変化しても、センサユニット２００により常に試験片Ｔの実質的な長さ方向中央部の形状を測定することが可能となっている。

次に、本発明の実施形態に係るセンサユニット２００について説明する。センサユニット２００は、上述のセンサユニット移動機構１００により可動チャック３２と固定チャック５２の中間に常に配置され、試験片Ｔのスパンの中央部における試験片Ｔの外周面の半径方向及び長さ方向の変位を試験中に測定するための構成要素である。図５は、センサユニット２００が取り付けられた第２可動部４０をＸ軸正方向に見た図である。また、図６は、センサユニット２００をＹ軸正方向に（すなわち材料試験機１の正面側から）見た図である。センサユニット２００は、プレート２０１、第１径方向変位検出部２２０、第２径方向変位検出部２４０、第３径方向変位検出部２６０及び軸方向変位検出部２８０を備えている。プレート２０１は、ベース４１のＸ軸正方向端部より垂直に延びる平板であり、中央部に試験片Ｔが通される円弧状の縁を有する開口２０１ａが形成されている。開口２０１ａは、正面側上部（図５における右上部分）で開放されており、この開放部を経由して試験片Ｔを開口２０１ａ内へ出し入れ可能になっている。

第１径方向変位検出部２２０、第２径方向変位検出部２４０、第３径方向変位検出部２６０及び軸方向変位検出部２８０は、それぞれプレート２０１の一面（図５における紙面表側の面）に取り付けられている。また、第１径方向変位検出部２２０、第２径方向変位検出部２４０及び第３径方向変位検出部２６０は、試験片Ｔの軸の周囲に１２０°間隔で配置されている。また、第１径方向変位検出部２２０は、試験片Ｔの真上に配置されている。

図７は第１径方向変位検出部２２０を上から見た図である。図６及び図７に示すように、第１径方向変位検出部２２０は、プレート２２１と、３つの接触式変位計２３０ａ〜ｃと、３本のニードル２２３ａ〜ｃと、各ニードル２２３ａ〜２２３ｃを接触式変位計２３０ａ〜ｃの本体２３１ａ〜ｃにそれぞれ固定するセンサ支持具２２４ａ〜ｃと、接触式変位計の本体２３１ａ〜ｃ及びニードル２２３ａ〜２２３ｃのそれぞれをプレート２２１に対して上下方向（Ｚ軸方向）にスライド自在に支持する３つのリニアガイド２２８を備えている。

接触式変位計２３０ａ〜ｃは、略円柱形の本体２３１ａ〜ｃと、丸棒状の接触子２３２ａ〜ｃとをそれぞれ備えている。本体２３１ａ〜ｃには、一端から中心軸上に延びる丸穴が形成されており、接触子２３２ａ〜ｃはこの丸穴内に中心軸方向へスライド自在に収容されている。また、接触子２３２ａ〜ｃは接触式変位計の本体２３１ａ〜ｃ内に備えられた図示しないコイルばねにより先端部側に付勢されており、接触子２３２ａ〜ｃの先端部は本体２３１ａ〜ｃの一端から外部へ突出している。接触式変位計２３０ａ〜ｃは、本体２３１ａ〜ｃに対する接触子２３２ａ〜ｃの中心軸方向（計測軸方向Ｐ）における位置又は変位を検出する。

プレート２２１は、プレート２０１の一面（Ｘ軸負方向側の面）から垂直に突出し、試験片Ｔと平行に配置された支持板である。プレート２２１の一面（Ｙ軸負方向側の面）には、Ｘ軸方向に等間隔に配列された３つのリニアガイド２２８のＺ軸方向に延びるレール２２８ｍが固定されている。各レール２２８ｍには、それぞれ一つのランナーブロック２２８ｎが、レール２２８ｍに沿ってスライド自在に係合している。各ランナーブロック２２８ｎの取り付け面には、センサ支持具２２４ａ〜ｃのプレート２２５ａ〜ｃがそれぞれ取り付けられている。また、各プレート２２５ａ〜ｃのランナーブロック２２８ｎと反対側の面には、接触式変位計の本体２３１ａ〜ｃを取り付けるためのクランプ２２６ａ〜ｃがそれぞれ取り付けられている。接触式変位計の本体２３１ａ〜ｃは、クランプ２２６ａ〜ｃに取り付けることにより、プレート２２１（すなわちセンサユニット２００のフレーム）に対して計測軸方向Ｐにスライド自在に支持される。

プレート２２５ａ〜ｃの下端からは、それぞれアーム２２７ａ〜ｃがＹ軸負方向側へ水平に延びている。アーム２２７ａ〜ｃの先端部には、それぞれニードル２２３ａ〜ｃが通されるＺ軸方向に延びる貫通孔が形成されている。ニードル２２３ａ〜ｃは、それぞれ先端をアーム２２７ａ〜ｃの下面から所定の長さだけ正確に突き出た状態で、止めねじ２２９によりアーム２２７ａ〜ｃに固定される。これにより、ニードル２２３ａ〜ｃは、それぞれ接触式変位計の本体２３１ａ〜ｃに対して平行に固定され、接触式変位計の本体２３１ａ〜ｃと共にＺ軸方向（すなわち計測軸方向Ｐ）にスライド自在に支持される。

ニードル２２３ａ〜ｃは、それぞれ円管状の試験片Ｔの中心軸（Ｘ軸）と垂直に（Ｚ軸と平行に）に配置されており、Ｘ軸方向に所定の間隔（本実施形態では１０ｍｍ間隔）で等間隔に配列されている。また、中央のニードル２２３ｂは、第２可動部４０のＸ軸基準点に正確に配置されており、先端が試験片Ｔのスパンの中央に当接するようになっている。

また、プレート２２１の一面の下端付近からは、接触子突き当て板２２２がＹ軸負方向側へ垂直に、且つ試験片Ｔと平行に突出している。接触子突き当て板２２２の上面には、接触式変位計の接触子２３２ａ〜ｃの先端が当接している。上述のように、接触式変位計の本体２３１ａ〜ｃ内に備えられたコイルばねにより接触子２３２ａ〜ｃは先端側に付勢されているため、ニードル２２３ａ〜ｃと共に接触式変位計の本体２３１ａ〜ｃが上方に移動すると、接触子２３２ａ〜ｃは、先端を接触子突き当て板２２２に当接させたまま、本体２３１ａ〜ｃから更に突出する。これにより、ニードル２２３ａ〜ｃのＹ軸方向の移動量が接触式変位計２３０ａ〜ｃによって検出される。

第２径方向変位検出部２４０も同様に、プレート２４１（接触子突き当て板２４２）と、接触式変位計２５０と、ニードル２４３と、ニードル２４３を接触式変位計２５０の本体２５１に固定するセンサ支持具２４４と、接触式変位計の本体２５１及びニードル２４３をプレート２４１に対して接触式変位計２５０の計測軸方向Ｑにスライド自在に支持するリニアガイド２４８を備えている。但し、第２径方向変位検出部２４０は、接触式変位計２５０、ニードル２４３、センサ支持具２４４及びリニアガイド２４８を一組のみ備えており、プレート２４１は、プレート２０１と平行に配置されている。また、第２径方向変位検出部２４０には、接触式変位計の本体２５１を重力に抗して試験片Ｔ側に付勢するばね機構２４５が設けられており、ニードル２４３の先端が常に試験片Ｔに当接するようになっている。

また、ニードル２４３の中心軸は、第２可動部４０のＸ軸基準点に正確に配置されており、試験片Ｔのスパン中央部における外周面の半径方向の変位を測定するように構成されている。また、第２径方向変位検出部２４０におけるセンサ支持具２４４の構成や、プレート２４１、ニードル２４３、センサ支持具２４４、リニアガイド２４８及び接触式変位計２５０の相対的な配置関係は、接触式変位計２５０の計測軸の方向が異なる点を除き、第１径方向変位検出部２２０におけるセンサ支持具２２４ａ〜ｃの構成や、プレート２２１、ニードル２２３ａ〜ｃ、センサ支持具２２４ａ〜ｃ、リニアガイド２２８及び接触式変位計２３０ａ〜ｃの配置関係と同様であるため、第２径方向変位検出部２４０の各部についての詳しい説明は省略する。

また、第３径方向変位検出部２６０の構造は、第２径方向変位検出部２４０の構造の鏡像であるため、第３径方向変位検出部２６０の構成についての詳しい説明は省略する。

軸力−内圧型円管バルジ試験においては、管状の試験片Ｔは内圧によりスパン中央部を中心に円周方向に膨張する。すなわち、試験片Ｔの縦断面は、スパン中央部を頂点とする釣鐘状に変形する。試験片Ｔの円周方向のひずみは、主に第１、第２及び第３径方向変位検出部２２０、２４０、２６０によって測定される試験片Ｔのスパン中央部における外周面の半径方向の変位に基づいて計算される。なお、例えば第３径方向変位検出部２６０を使用して測定した、試験片Ｔのスパン中央部における外周面上の一点の半径方向の変位のみに基づいても試験片Ｔの円周方向のひずみを決定することができる。しかしながら、本実施形態においては、第１、第２及び第３径方向変位検出部２２０、２４０、２６０により、試験片Ｔの外周面における半径方向の変位を、試験片Ｔの中心軸周りに１２０°等間隔で測定した３つの測定値を使用することにより、試験片Ｔの円周方向のひずみをより正確に測定することが可能になっている。また、上述のように、第１径方向変位検出部２２０は、試験片Ｔの中心軸方向に等間隔で配置された３つの変位計を備えている。これにより、試験片Ｔの縦断面における釣鐘状の変形の曲率が決定され、試験片Ｔの円周方向のひずみをより正確に測定することが可能になっている。

次に、軸方向変位検出部２８０の構成を説明する。軸方向変位検出部２８０は、試験片Ｔのスパン中央部の外周面における中心軸方向の伸びを検出する。図８は、軸方向変位検出部２８０をＸ軸負方向で見た図である。なお、図８におけるＹ’軸及びＺ’軸は、図５に示すようにＹ軸及びＺ軸をＸ軸の周りに４０°回転させた座標軸である。図９は、軸方向変位検出部２８０をＹ’軸正方向で見た図である。また、図１０は、図９におけるＢ−Ｂ矢視図である。なお、図８〜１０は、軸方向変位検出部２８０を試験片Ｔに装着する際に軸方向変位検出部２８０を初期状態に設定するために使用するセッティング治具３７０を取り付けた状態を示している。試験は、セッティング治具３７０が取り外された状態で行われる。

軸方向変位検出部２８０は、プレート２０１に垂直に固定されたプレート２８１と、プレート２８１と平行に配置された可動プレート２８２を備えている。可動プレート２８２のプレート２８１と対向する面には、Ｚ’軸方向に延びるレール２８３ｍが固定されている。また、プレート２８１の一面には、レール２８３ｍと係合するランナーブロック２８３ｎが固定されている。すなわち、可動プレート２８２は、レール２８３ｍ及びランナーブロック２８３ｎから構成されるリニアガイド２８３を介してプレート２８１の一面（Ｙ’軸負方向側の面）に取り付けられており、プレート２８１に対してＺ’軸方向にスライド自在となっている。これにより、試験中に試験片Ｔの膨張によって外周面が軸方向変位検出部２８０側（半径方向）に変位しても、軸方向変位検出部２８０も試験片Ｔの変位に従って半径方向にスムーズに移動するため、軸方向変位検出部２８０及び試験片Ｔに不要な応力が加わることなく、軸方向変位検出部２８０による試験片Ｔの変位測定を安定して継続することができる。可動プレート２８２には、レール２８３ｍの取り付け面に設けられた雌ねじと係合する手締めねじ２８４が回転自在に取り付けられている。また、可動プレート２８２のプレート２８１と対向する面には、レール２８３ｍの取り付け面に設けられた位置決め形状（穴や切り欠き）と係合する複数の位置決めピン２８２ａが取り付けられている。可動プレート２８２は、位置決めピン２８２ａと手締めねじ２８４により、レール２８３ｍに対して高い位置精度で着脱自在に取り付け可能になっている。試験片Ｔを取り替える際は、試験片Ｔの取り替えに必要なスペースを確保する為に、手締めねじ２８４を緩めて可動プレート２８２がレール２８３から取り外される。

また、可動プレート２８２のＺ’軸負方向における先端部には、軸方向変位検出部２８０の本体部３００をＹ’軸周りに揺動自在に支持する軸受部３１０（図１０）が設けられている。本体部３００は、軸３２０、プレート３３０、第１スライド部３４０、第２スライド部３５０、及び接触式変位計３６０を備えている。接触式変位計３６０は、接触式変位計２３０ａ〜ｃと同一構成のものである。Ｙ’軸方向に伸びる軸３２０の一端は、軸受部３１０に設けられた複列玉軸受３１２により回転自在に支持されている。また、軸３２０の他端には、プレート３３０が垂直に固定されている。すなわち、可動プレート２８２と平行に配置されたプレート３３０は、軸３２０及び軸受部３１０により、可動プレート２８２に対してＹ’軸周りに揺動自在に支持されている。この構成により、例えば試験片Ｔが試験中に座屈などで大きく変形した場合でも、軸方向変位検出部２８０の本体部３００は試験片Ｔの変形に従ってスムーズに揺動するため、軸方向変位検出部２８０が試験片Ｔから過大な荷重を受けて破損することが防止される。また、この構成により、試験片Ｔを材料試験機１に取り付ける際に、軸方向変位検出部２８０が試験片Ｔの移動を阻害せず、軸方向変位検出部２８０を装着した状態でも試験片Ｔの取り付け／取り外しが可能になる。

プレート３３０、第１スライド部３４０及び第２スライド部３５０は、互いに略平行に配置されており、プレート３３０の一部は第１スライド部３４０と第２スライド部３５０とで挟み込まれている。第１スライド部３４０及び第２スライド部３５０は、それぞれリニアガイド３３２及び３３４を介してプレート３３０に取り付けられており、プレート３３０に対して所定方向（図８〜９においてはＸ軸方向）にスライド自在となっている。具体的には、プレート３３０の両面に、リニアガイド３３２のレール３３２ｍと、リニアガイド３３４のレール３３４ｍとが、それぞれ取り付けられている。また、リニアガイド３３２のランナーブロック３３２ｎは第１スライド部３４０に取り付けられ、リニアガイド３３４のランナーブロック３３４ｎは第２スライド部３５０に取り付けられている。

第１スライド部３４０及び第２スライド部３５０の一端（図８〜１０におけるＺ’軸負方向の端部）には、試験片Ｔの側面に付き当てられるジョー３４４及び３５４がそれぞれ設けられている。また、第１スライド部３４０の他端部には、接触式変位計３６０の本体３６１を固定するクランプ３４２が設けられている。接触式変位計３６０は、計測軸（接触子３６２の軸方向）がリニアガイド３３２及び３３４の可動方向と平行になるよう配置されている。第２スライド部３５０の他端には、接触子３６２に垂直な接触子突き当て板３５２が設けられている。ジョー３４４とジョー３５４とが、計測軸方向（図８〜１０においてはＸ軸方向）に相対的に移動すると、第１スライド部３４０に固定された接触式変位計の本体３６１に対して第２スライド部３５０の接触子突き当て板３５２が計測軸方向に移動する。接触式変位計の接触子３６２は、本体３６１内に設けられたコイルばね（不図示）により突出方向（Ｘ軸負方向）に付勢されているため、先端が接触子突き当て板３５２に当接した状態を維持しながら、接触子突き当て板３５２の移動に追従してＸ軸方向に移動する。これにより、ジョー３４４とジョー３５４との相対的な変位が接触式変位計３６０によって検出される。

また、プレート３３０の計測軸方向両端にはフック板３３６がそれぞれ取り付けられている。フック板３３６のＹ’軸方向両端にはフック３３６ｈが形成されている。試験時には、図８に示すように、ジョー３４４、３５４の先端を試験片Ｔに当接させた状態で輪ゴムＢが両フック３３６に引っ掛けられ、輪ゴムＢと軸方向変位検出部の本体部３００との間で試験片Ｔが挟み込まれる。これにより、輪ゴムＢの弾性力によってジョー３４４、３５４が試験片Ｔの側面に付勢されるため、ジョー３４４、３５４が試験片Ｔの側面でスリップすることなく、試験片Ｔの軸方向の変位に追従して移動し、軸方向の変位が正確に検出される。

また、軸方向変位検出部２８０の本体部３００が軸３２０の周りに揺動自在に構成されているため、試験片Ｔにゆがみがある場合や、試験中に試験片Ｔがスパン中央部に対して不均一に変形し、各ジョー３４４、３５４の先端と試験片Ｔとの距離に差が生じた場合でも、本体部３００の回転によって距離差が解消され、２つのジョー３４４、３５４は確実に試験片Ｔの側面に付き当てられ、常に正確な軸方向変位の測定が可能になる。

また、図１０に示すように、第１スライド部３４０及び第２スライド部３５０がセッティング治具３７０と対向する面には、位置決めピン３４６、３５６がそれぞれ設けられている。また、軸３２０のセッティング治具３７０と対向する面の中心軸上には、手締めねじ３２２と係合する雌ねじ３２２が形成されている。一方、セッティング治具３７０には、位置決めピン３４６、３５６と係合する穴３７２、３７２、及び手締めねじ３２２が通される貫通穴３７８が形成されている。位置決めピン３４６、３５６をセッティング治具３７０の穴３７２、３７２に挿し込み、手締めねじ３２２をセッティング治具３７０の貫通穴３７８に通して雌ねじ３２２に捻じ込むことで、セッティング治具３７０が軸方向変位検出部２８０の本体部３００に装着される。このとき、軸３２０、軸３２０に一体に固定されたプレート３３０、第１スライド部３４０、第２スライド部３５０及びセッティング治具３７０が、所定の配置関係に固定される。また、このとき、Ｘ軸方向における、軸３２０の中心軸とジョー３４４の先端との間隔、及び軸３２０の中心軸とジョー３５４の先端との間隔は、共通の所定の値（本実施形態では１０ｍｍ）に設定される。また、軸３２０の中心軸は、ベース４１のＸ軸方向における中心線の真上に配置されている。すなわち、軸３２０は、Ｘ軸方向において、可動チャック３２と固定チャック５２の中間に位置している。従って、セッティング治具３７０を装着した状態では、ジョー３４４及び３５４は、試験片Ｔのスパン中央部からＸ軸正方向及び負方向にそれぞれ等間隔離れた位置に配置される。セッティング治具３７０を装着した状態で軸方向変位検出部２８０を試験片Ｔに装着すると、試験片Ｔのスパン中央部に所定間隔でジョー３４４及び３５４を試験片Ｔの外周面に突き当て、固定することができる。

次に、チャック３２及び５２の詳細を説明する。図１１及び図１２に、チャック３２及び５２の上面図及び縦断面図をそれぞれ示す。なお、図１１及び図１２において、右側のチャック５２はクランプ状態を示したものであり、左側のチャック３２はアンクランプ状態を示したものである。チャック３２は、支持ブロック６１０、フランジ部６２０、コア６３０、コレット６４０、スリーブ６５０、スライダ６６０及び２つの油圧シリンダ６７０（図１１）を備えている。また、スライダ６６０は、４つのロッド６６２及び連結板６６４を備えている。支持ブロック６１０には、Ｘ軸負方向側の側面にフランジ部６２０が、Ｘ軸正方向側の側面にコア６３０が、それぞれ取り付けられている。また、支持ブロック６１０には、Ｘ軸方向に伸びる４つの貫通穴６１２が形成されている。各貫通穴６１２は、ロッド６６２の外径よりも僅かに大きな内径を有しており、各貫通穴６１２にはロッド６６２がスライド自在に差し込まれている。また、４つのロッド６６２は、Ｘ軸負方向側の一端が、それぞれ連結板６６４に固定されている。油圧シリンダ６７０は、試験片Ｔを連結板６６４をＹ軸負方向に付勢可能に構成されている。また、フランジ部６２０は連結部材３３を取り付けるための構造部であり、フランジ部６２０の一端には図示しない螺子穴が形成されたフランジ取り付け面６２２が設けられている。コア６３０の先端部には、試験片Ｔの内径よりも僅かに小さな直径を有する円柱部６３２が設けられている。また、円柱部６３２の先端側に隣接して、先端側ほど外周面が細くなるように形成されたテーパ部６３４が設けられている。円柱部６３２の先端側の外周面には、Ｏリングが装着される環状溝６３６が形成されている。コレット６４０は、円環状の部材であり、中心軸から放射状に延びる図示しない４つの切れ込みが形成されている。コレット６４０は、支持ブロック６１０側の内周側端部を除いて、４つの切れ込みにより４分割されており、各分割片が半径方向に移動可能になっている。コレット６４０の内周面は、試験片Ｔの外径よりも僅かに広い円柱面となっており、コア６３０の円柱部６３２に被せられる。試験時には、コレット６４０の内周面とコア６３０の円柱部６３２との間で試験片Ｔが挟み込まれる。また、コレット６４０の外周面は、先端側ほど細くなる円錐面（テーパ面）となっている。スリーブ６５０の内周面も、コレット６４０の外周面と同じテーパ角の円錐面となっており、スリーブ６５０はコレット６４０に被せられる。また、スリーブ６５０の支持ブロック６１０側には、半径方向外側に突出したフランジ部６５２が形成されている。

チャック５２は、支持ブロック５１０、コア５３０、コレット５４０、スリーブ５５０、スライダ５６０及び２つの油圧シリンダ５７０（図１１）を備えている。なお、コレット５４０、スリーブ５５０、スライダ５６０及び油圧シリンダ５７０は、それぞれチャック３２のコレット６４０、スリーブ６５０、スライダ６６０及び油圧シリンダ６７０と同一構成の部材である。また、コア５３０も、支持ブロック５１０との固定部の形状や、後述する管路５１４の細部の構成を除いては、チャック３２のコア６３０と同様の構成を有している。支持ブロック５１０のＸ軸正方向側の側面には、連結部材５３を固定するための図示しない螺子穴が形成されたフランジ取り付け面５２２が設けられている。支持ブロック５１０のＸ軸負方向側の側面にはコア５３０が取り付けられている。また、支持ブロック５１０には、Ｘ軸方向に伸びる４つの貫通穴５１２が形成されており、各貫通穴５１２は、スライダ５６０のロッド５６２がスライド自在に差し込まれている。

図１３は、図１２におけるＣ−Ｃ矢視図である。スリーブ５５０のフランジ部５５２には、Ｘ軸方向に伸びる４つの貫通穴５５４が形成されている。貫通穴５５４は、ロッド５６２のヘッド５６２ｈが挿通可能な差込部５５４ａと、差込部５５４ａから円周方向に沿って（図１３において反時計方向に）延びる細隙部５５４ｂを有している。また、フランジ部５５２のチャック３２と対向する面には、細隙部５５４ｂの周囲に座繰部５５４ｃが形成されている。フランジ部５５２の貫通穴５５４にロッド５６２を通して、スリーブ５５０を時計方向に回転させると、ロッド５６２のヘッド５６２ｈとフランジ部５５２の座繰部５５４ｃとが係合し、ロッド５６２をＸ軸正方向に駆動させてもフランジ部５５２から抜けなくなる。

また、チャック３２の支持ブロック６１０、コア６３０及びチャック５２の支持ブロック５１０、コア５３０には、それぞれ試験片Ｔに内圧を加えるための作動液を供給する管路６１６、６３６及び管路５１６、５３６が形成されている。なお、作動液には、防錆剤を混合した水や作動油が使用される。支持ブロック５１０の管路５１６の一端（ニップル５１６ａ）は、図示されない液圧源に接続されており、他端はコア５３０に形成された管路５３２の一端に接続されている。管路５１６の中途には、油圧計５９０が設けられている。また、コア５３０の管路５３２の他端は、テーパ部５３４の外周面に開口しており、この開口から試験片Ｔの管内に作動液が注入される。また、チャック３２の支持ブロック６１０に形成された管路６１６は、一端がエア抜き用のバルブ６８０に接続されており、他端がコア６３０の管路６３６の一端に接続されている。なお、バルブ６８０の出口は図示しない作動液タンクに接続されている。コア６３０の管路６３６の他端は、テーパ部６３４の外周面に開口しており、この開口から試験片Ｔの管内の作動油が管路６３６及び６１６に流入するようになっている。

チャック５２により試験片Ｔをクランプする際は、試験片Ｔの一端をコア５３０の円柱部５３２に挿し込み、その外周にコレット５４０を装着し、更にコレット５４０の外周にスリーブ５５０を装着する。スリーブ５５０を装着する際には、フランジ部５５２の貫通穴５５４（図１３）にロッド５６２を通して、スリーブ５５０を時計方向に回転させて、ロッド５６２のヘッド５６２ｈとフランジ部５５２の座繰部５５４ｃとを係合させる。同様に、試験片Ｔの他端をチャック３２に装着する。なお、試験片Ｔの両端をコア５３０の円柱部５３２及びコア６３０の円柱部６３２にそれぞれ挿し込むことにより、Ｏリング５３６、６３６により試験片Ｔと円柱部５３２、６３２とが密着するため、作動液を供給しても試験片Ｔとコア５３０、６３０との隙間から作動液が漏れることがない。次に、バルブ６８０を開いて、低圧で液圧源から作動液を送出させると、作動液は、管路５１６、５３６、試験片Ｔ、管路６３６、６１６及びバルブ６８０を介して作動油タンクに送出される。この際、試験片Ｔ及び管路５１６、５３６、６３６、６１６内の空気も作動液と共に作動油タンクに排出され、試験片Ｔ及び管路５１６、５３６、６３６、６１６内が作動油で満たされる。次に、バルブ６８０を閉じて、液圧源により所定の初期液圧を供給させると、油圧シリンダ５７０（６７０）が作動し、連結板５６４（６６４）をＸ軸正方向（負方向）に駆動すると、連結板５６４（６６４）に固定されたロッド５６２（６６２）を介してスリーブ５５０（６５０）もＸ軸正方向（負方向）に強く押し込まれる。スリーブ５５０（６５０）のテーパ面によりコレット５４０（６４０）が内側に強く押し込まれ、コア５３０（６３０）の円柱部５３２（６３２）とコレット５４０（６４０）との間で試験片Ｔの一端（他端）が強固にクランプされる。また、試験後に作動液の圧力を抜くと、ロッド５６２（６６２）とスリーブ５５０（６５０）によるコレット５４０（６４０）の締め付けが解除さるため、アンクランプ状態となる。また、支持ブロック５１０（６１０）にはアンクランプ用ボルト５６６（６６６）と係合する雌ねじ５１８（６１８）が、連結板５６４（６６４）にはアンクランプ用ボルト５６６（６６６）を通す貫通穴５６４ａ（６６４ａ）が設けられている。スリーブ５５０（６５０）、コレット５４０（６４０）及び試験片Ｔが固着してクランプが解除されなくなった場合は、アンクランプ用ボルト５６６（６６６）を貫通穴５６４ａ（６６４ａ）に通して雌ねじ５１８（６１８）に捻じ込み、連結板５６４（６６４）を支持ブロック５１０（６１０）側に押し込むことにより、コレット５４０（６４０）の固着が解消され、アンクランプ状態にすることができる。

次に、センサユニット２００による試験片の変位の検出結果に基づいて、制御部（不図示）によって試験片Ｔのひずみ及び応力を計算する方法を説明する。円管バルジ試験においては、円管状の試験片Ｔの円周方向（θ）及び管軸方向（φ）における応力とひずみの変化が計測される。試験片Ｔの円周方向応力σ_φ及び管軸方向応力σ_θは、それぞれ式（１）、（２）により計算される。また、試験片Ｔの円周方向ひずみε_φ及び管軸方向ひずみε_θは、それぞれ式（３）、（４）により計算される。また、試験片Ｔの肉厚ｔは、式（５）により計算される。

但し、
Ｐ：内圧（液圧）
Ｄ：試験片Ｔの外径（Ｄ_０：初期値）
ｔ：試験片Ｔの肉厚（ｔ_０：初期値）
Ｔ：管軸方向荷重
Ｒ_φ：管軸方向曲率半径
Ｌ：標点間距離（Ｌ_０：初期値）
ｅ_６：試験片Ｔのスパン中央部における外周面の軸方向変位（軸方向変位検出部２８０の検出値）

なお、内圧Ｐは、液圧源（不図示）に設けられた液圧ゲージによって検出される。また、管軸方向応力Ｔは、ロードセル５４によって検出される。また、試験片Ｔの外径Ｄ及び管軸方向曲率半径Ｒ_φは、以下に説明する方法によって取得される。

（外径Ｄの取得方法）
外径Ｄは、第１径方向変位検出部２２０（接触式変位計２３０ｂ）、第２径方向変位検出部２４０及び第３径方向変位検出部２６０によってそれぞれ検出された、試験片Ｔのスパンの中央（Ｘ軸基準点）における外周面の半径方向の変位ｅ_１、ｅ_２及びｅ_３を使用して計算される。具体的には、試験片Ｔの外径Ｄは、３つの変位測定値ｅ_１、ｅ_２及びｅ_３の平均値を試験片Ｔの半径の変化量として、次の式（７）により計算される。

試験片Ｔは、完全な軸対称性を有してはいないため、試験片Ｔの変形も管軸に対して若干非対称なものとなる。そのため、一方向のみで試験片Ｔの外径変化を測定すると、外径Ｄの誤差が比較的に大きくなり、試験精度（すなわち最終的に得られる円周方向応力σ_φ及び管軸方向応力σ_θの精度）が低下してしまう。本実施形態では、試験片Ｔのスパンの中央において円周方向３箇所で測定した外周面の半径方向変位の平均から外径Ｄを計算することにより、試験片Ｔの外径Ｄの測定精度が向上し、延いては円周方向応力σ_φ及び管軸方向応力σ_θを高精度で計測可能となる。また、第１径方向変位検出部２２０、第２径方向変位検出部２４０及び第３径方向変位検出部２６０は、試験片Ｔの管軸の周囲に等間隔で配置されているため、この３つの径方向変検出部による変位測定値ｅ_１、ｅ_２及びｅ_３の平均値は、試験片Ｔの全周の変位を平均した値に近い値となる。すなわち、本実施形態の構成によれば、少ない径方向変位検出部により、測定誤差を効果的に低減することができる。

（管軸方向曲率半径Ｒ_φの取得方法）
管軸方向曲率半径Ｒ_φは、第１径方向変位検出部２２０の３つ接触式変位計２３０ａ〜ｃによって検出されるニードル２２３ａ〜２２３ｃの変位ｅ_４、ｅ_１、ｅ_５に基づいて、式（８）、（９）により計算される。なお、変位ｅ_１~ｅ_５の符号は、試験片Ｔの半径が増大する方向の変位を正として定義される。

但し、
Ｓ：第１径方向変位検出部２２０のニードル２２３ａ〜ｃの配置間隔

以上が本発明の例示的な実施形態の説明である。本発明の実施形態の構成は、上記に説明したものに限定されず、特許請求の範囲の記載により表現された技術的思想の範囲内で任意に変更することができる。すなわち、本発明の別の実施形態は、上記に説明した全ての特徴を備える必要はなく、また付加的あるいは代替的に別の特徴を備えてもよい。

上記の実施形態では、一端が第２可動部４０と連結するリンク１４２の他端がリンク１４３の中央部で連結されているが、リンク１４２の他端をリンク１４１の中央部で連結させてもよい。また、リンク１４２を２つ設け、一方のリンク１４２の他端をリンク１４１に、他方のリンク１４２の他端をリンク１４３にそれぞれ連結させてもよい。この場合、第２可動部４０を２本のリンク１４２で駆動することになるため、重量の大きな測定ユニットを使用しても、測定ユニットをスムーズかつ正確に移動させることが可能になる。

また、上記の実施形態では、試験片Ｔの中央部のひずみを測定しているが、試験片Ｔの中央部について形状以外の測定を行う場合にも本発明を適用することができる。本発明が適用可能な形状以外の測定としては、電気的特性（例えば試験片Ｔの抵抗）や光学的特性（例えば光反射率）が挙げられる。

また、上記の実施形態では、リンク１４２のリンク長をリンク１４３のリンク長の１／２に設定して、第２可動部４０が常に第１可動部３０と固定部５０の中間点に位置するように構成されているが、リンク１４２とリンク１４３のリンク長の比（すなわち二等辺三角形５７８と二等辺三角形６７９の相似倍率）は任意に設定することができる。

上記の実施形態では、アクチュエータとしてサーボバルブにより駆動制御される油圧アクチュエータが使用されるが、他の種類のアクチュエータ（例えば、サーボモータにより駆動制御される電動油圧アクチュエータや各種モータにより駆動される電動アクチュエータ）を使用してもよい。

試験片の長さ方向中央における断面形状の変化を、ＣＣＤカメラやセンサアレイによって測定する従来の方法では、受光素子の配置間隔よりも低い測定精度しか得られず、微小な変化を検出することができなかった。また、投影光の広がり角や回折によっても測定精度が低下し、大きな試験片を使用する場合には投影距離が長くなるため、十分な精度で測定することができなかった。上記に説明した本発明の実施形態に係る材料試験機によれば、接触式変位計を使用することにより、従来よりも格段に高精度かつ高確度の測定が可能になり、大きな試験片Ｔを使用した試験を行う場合でも十分な精度の測定が可能である。なお、局所の変位を高確度かつ高精度に計測可能な、接触式変位計以外の方式の変位計（例えばレーザ光反射型の非接触変位計）を使用することもできる。

また、上記のセンサユニット移動機構は、円管バルジ試験に限らず、例えば通常の引張試験、圧縮試験、ねじり試験等の機械試験その他の各種測定にも適用することができる。

１０ フレーム
２０ 油圧シリンダ
３０ 第１可動部
４０ 第２可動部
５０ 固定部
１００ センサユニット移動機構
２００ センサユニット
２２０ 第１径方向変位検出部
２４０ 第２径方向変位検出部
２６０ 第３径方向変位検出部
２８０ 軸方向変位検出部
３００ 本体部

Claims (10)

1. 円管状の試験片に内圧と管軸方向の応力とを与えて該試験片のひずみを計測する材料試験機において、
   前記試験片の管軸方向の有効長中央部における外周面の半径方向の変位を検出する複数の径方向変位検出部と、
   前記試験片の有効長中央部における外周面の管軸方向の変位を検出する軸方向変位検出部と、
   前記径方向変位検出部及び前記軸方向変位検出部の検出結果に基づいて、前記試験片の有効長中央部における円周方向及び管軸方向ひずみを演算する演算部と、を備え、
   前記複数の径方向変位検出部が、前記試験片の管軸周りの互いに異なる方位における変位をそれぞれ検出するように構成され、
   前記複数の径方向変位検出部の夫々は、前記試験片の有効長中央部における外周面の半径方向の変位を検出する第１変位計を備え、
   前記複数の径方向変位検出部の少なくとも一つは、前記第１変位計に対して前記管軸方向に並べて配置された、前記試験片の外周面の半径方向の変位を検出する第２変位計を備え、
   前記第１及び第２変位計はそれぞれ、
   先端が前記試験片の外周面に垂直に付き当てられて、前記試験片の外周面の半径方向の変位に従って該半径方向に移動自在に設けられたニードルと、
   固定フレームと、
   前記固定フレームに対して前記試験片の半径方向にスライド自在に設けられた可動フレームと、
   前記可動フレームに取り付けられた胴部と、該胴部の一端から前記試験片の半径方向に伸縮自在に突出する接触子を備えた変位センサと、を備え、
   前記変位センサの接触子の先端が前記固定フレームに設けられた接触子突き当て板に当接されており、
   前記ニードルが、長さ方向を前記試験片の半径方向に向け、前記可動フレームの前記試験片と対向する一端から突出するように前記可動フレームに取り付けられており、
   該ニードルの移動量を検出することにより、前記試験片の外周面の半径方向の変位を検出され、
   前記演算部は、前記少なくとも一つの径方向変位検出部の前記第１及び第２変位計の検出結果に基づいて、前記試験片の有効長中央部における外周面の管軸方向曲率半径を計算するように構成されていること、を特徴とする材料試験機。
2. 前記複数の径方向変位検出部が、前記試験片の管軸周りに１２０°間隔で配置された第１、第２及び第３径方向変位検出部を含むことを特徴とする請求項１に記載の材料試験機。
3. 前記複数の径方向変位検出部及び前記軸方向変位検出部が設けられたセンサユニットを前記材料試験機の装置フレームに対して前記試験片の管軸方向に移動するセンサユニット移動機構を備え、
   前記センサユニット移動機構は、
   前記装置フレームに対して前記試験片の管軸方向へ移動可能に設けられ、前記試験片の一端を固定する可動チャックを備えた第１可動部と、
   前記装置フレームに固定され、前記試験片の他端を固定する固定チャックを備えた固定部と、
   前記第１可動部と前記固定部との間に配置され、前記センサユニットを前記装置フレームに対して前記試験片の管軸方向へ移動する第２可動部と、
   前記装置フレームに固定され、前記第１可動部を前記所定方向へ駆動するアクチュエータと、
   前記装置フレーム、前記第１可動部及び前記第２可動部を連結し、前記第１可動部の移動に応じて前記中央部測定器を前記可動チャックと前記固定チャックの中間点に移動させるリンク機構とを備えた、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の材料試験機。
4. 試験片に所定方向の応力を加えて前記試験片の応答を測定する材料試験機であって、
   装置フレームと、
   前記装置フレームに対して前記所定方向へ移動可能に設けられ、前記試験片の一端を固定する可動チャックを備えた第１可動部と、
   前記装置フレームに固定され、前記試験片の他端を固定する固定チャックを備えた固定部と、
   前記第１可動部と前記固定部との間に前記装置フレームに対して前記所定方向へ移動可能に設けられ、前記試験片に荷重が加えられているときに試験片の前記所定方向中央部における応答を測定する中央部測定器を備えた第２可動部と、
   前記装置フレームに固定され、前記第１可動部を前記所定方向へ駆動するアクチュエータと、
   前記装置フレーム、前記第１可動部及び前記第２可動部を連結し、前記第１可動部の移動に応じて前記中央部測定器を前記可動チャックと前記固定チャックの中央に移動させることにより、前記中央部測定器を常に試験片の前記所定方向中央部に位置させるリンク機構と、
   前記所定方向へ延びるレールと を備え、
   前記第１可動部は、前記レールと係合する第１ランナーブロックを備え、該レール及び第１ランナーブロックにより前記所定方向にスライド自在に支持され、
   前記第２可動部は、前記レールと係合する第２ランナーブロックを備え、該レール及び第２ランナーブロックにより前記所定方向へスライド自在に支持されること、を特徴とする材料試験機。
5. 前記固定部は、
   前記試験片に加わる前記所定方向の荷重を測定する荷重センサと、
   前記所定方向へ移動自在に前記レールと係合する第３ランナーブロックとを更に備え、
   前記固定チャックは、前記第３ランナーブロック上に配置され、前記荷重センサを介して前記装置フレームに固定されることを特徴とする請求項７に記載の材料試験機。
6. 前記リンク機構は、
   一端が第１ピンを介して前記第１可動部に回転可能に連結された第１リンクと、
   一端が第２ピンを介して前記第２可動部に回転可能に連結された第２リンクと、
   一端が、前記第２ピンに対して前記第１ピンと反対側に配置された第３ピンを介して、前記装置フレームに回転可能に連結された第３リンクとを有し、
   前記第１リンクの他端と前記第３リンクの他端が第４ピンを介して回転可能に連結され、
   前記第２リンクの他端が第５ピンを介して前記第１又は前記第３リンクに回転可能に連結され、
   前記第４ピンと前記第１ピンの間隔は前記第４ピンと前記第３ピンの間隔に等しく、
   前記第５ピンと前記第２ピンの間隔は前記第５ピンと、前記第１及び前記第３ピンのうち前記第５ピンと同一のリンクを連結するものとの間隔に等しい
   ことを特徴とする請求項７または請求項９に記載の材料試験機。
7. 前記第１可動部、前記第２可動部及び前記固定部は、それぞれ第１、第２、第３ランナーブロックが下面に取り付けられたベースプレートを備え、
   前記可動チャック、前記中央部測定器及び前記固定チャックは、それぞれ各前記ベースプレートの上面に取り付けられて、該ベースプレートの上方に配置され、
   前記リンク機構は、各前記ベースプレートの下面に取り付けられて、該ベースプレートの下方に配置されている
   ことを特徴とする請求項１０に記載の材料試験機。
8. 前記装置フレームは水平面の上面を有する定盤を備え、
   前記レールは前記装置フレームの上面に取り付けられ、
   前記定盤の一側面側には、中央部は、切り欠かれて、前記レールと近接して平行に延びた底部を有する、水平方向に凹んだ凹部が形成され、
   前記第１から第３リンクは、それぞれ前記凹部内に配置される
   ことを特徴とする請求項１１に記載の材料試験機。
9. 円管状の試験片に内圧と管軸方向の応力とを与えて該試験片のひずみを計測する材料試験機において、
   前記試験片の管軸方向の有効長中央部における外周面の半径方向の変位を検出する複数の径方向変位検出部と、
   前記試験片の有効長中央部における外周面の管軸方向の変位を検出する軸方向変位検出部と、
   前記径方向変位検出部及び前記軸方向変位検出部の検出結果に基づいて、前記試験片の有効長中央部における円周方向及び管軸方向ひずみを演算する演算部と、を備え、
   前記複数の径方向変位検出部が、前記試験片の管軸周りの互いに異なる方位における変位をそれぞれ検出するように構成され、
   前記軸方向変位検出部は、
   固定プレートと、
   前記固定プレートに対してＺ軸方向にスライド自在に設けられた可動プレートと、
   前記可動プレートの前記Ｚ軸方向先端部分においてＹ軸周りに揺動自在に設けられた本体部と、を備え、
   前記本体部は、
   前記可動プレートに対して揺動自在に取り付けられるプレートと、
   前記試験片の側面につき当てられる第１のジョーを有し、前記プレートに対してＸ軸方向にスライド自在に設けられた第１スライド部と、
   前記試験片の側面につき当てられる第２のジョーを有し、前記プレートに対してＸ軸方向にスライド自在に設けられた第２スライド部と、
   前記第１のジョーと前記第２のジョーのＸ軸方向での相対的な変位を検出する接触式変位計とを備えることを特徴とする材料試験機。
10. 試験片に所定方向の応力を加えて前記試験片の応答を測定する材料試験機であって、
    装置フレームと、
    前記装置フレームに対して前記所定方向へ移動可能に設けられ、前記試験片の一端を固定する可動チャックを備えた第１可動部と、
    前記装置フレームに固定され、前記試験片の他端を固定する固定チャックを備えた固定部と、
    前記第１可動部と前記固定部との間に前記装置フレームに対して前記所定方向へ移動可能に設けられ、前記試験片に荷重が加えられているときに試験片の前記所定方向中央部における応答を測定する中央部測定器を備えた第２可動部と、
    前記装置フレームに固定され、前記第１可動部を前記所定方向へ駆動するアクチュエータと、
    前記装置フレーム、前記第１可動部及び前記第２可動部を連結し、前記第１可動部の移動に応じて前記中央部測定器を前記可動チャックと前記固定チャックの中央に移動させる事により、前記中央部測定器を常に試験片の前記所定方向中央部に位置させるリンク機構と、を備え、
    前記リンク機構は、
    一端が第１ピンを介して前記第１可動部に回転可能に連結された第１リンクと、
    一端が第２ピンを介して前記第２可動部に回転可能に連結された第２リンクと、
    一端が、前記第２ピンに対して前記第１ピンと反対側に配置された第３ピンを介して、前記装置フレームに回転可能に連結された第３リンクとを有し、
    前記第１リンクの他端と前記第３リンクの他端が第４ピンを介して回転可能に連結され、
    前記第２リンクの他端が第５ピンを介して前記第１又は前記第３リンクに回転可能に連結され、
    前記第４ピンと前記第１ピンの間隔は前記第４ピンと前記第３ピンの間隔に等しく、
    前記第５ピンと前記第２ピンの間隔は前記第５ピンと、前記第１及び前記第３ピンのうち前記第５ピンと同一のリンクを連結するものとの間隔に等しいこと、を特徴とする材料試験機。

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