R 1762：2020
（1）
目 次
ページ
1 適用範囲························································································································· 1
2 引用規格························································································································· 1
3 用語及び定義 ··················································································································· 1
4 測定原理························································································································· 1
5 測定装置の構成 ················································································································ 2
6 圧電デバイス ··················································································································· 3
6.1 圧電デバイスの構成 ······································································································· 3
6.2 特性値の測定 ················································································································ 3
7 出力電圧の測定手順及び出力電圧波形の作成方法 ··································································· 3
8 発電特性の求め方 ············································································································· 5
8.1 一般 ···························································································································· 5
8.2 出力電力 ······················································································································ 5
8.3 機械的品質係数 ············································································································· 5
8.4 電気機械結合係数 ·········································································································· 5
8.5 出力効率 ······················································································································ 5
9 主要定数及び特性値の表し方 ······························································································ 6
10 測定結果報告書 ·············································································································· 6
附属書A（参考）加振装置及び固定ジグの選択指針 ···································································· 8
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（2）
まえがき
この規格は，産業標準化法に基づき，日本産業標準調査会の審議を経て，経済産業大臣が制定した日本
産業規格である。
この規格は，著作権法で保護対象となっている著作物である。
この規格の一部が，特許権，出願公開後の特許出願又は実用新案権に抵触する可能性があることに注意
を喚起する。経済産業大臣及び日本産業標準調査会は，このような特許権，出願公開後の特許出願及び実
用新案権に関わる確認について，責任はもたない。
日本産業規格 JIS
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ファインセラミックスー
自立型電源用圧電デバイスの発電特性測定方法
Fine ceramics (advanced ceramics, advanced technical ceramics)-
Method of measurement for assessing the power generation characteristics
of piezoelectric device for self-sustaining power source
1
適用範囲
この規格は，自立型電源に用いられる圧電デバイスの出力電力，機械的品質係数，電気機械結合係数及
び出力効率を評価並びに決定するための，発電特性の測定方法について規定する。
この規格は，圧電デバイスの性能を正確かつ実用的に評価するために，振動に基づく試験方法と特性パ
ラメータを規定している。
2
引用規格
次に掲げる規格は，この規格に引用されることによって，この規格の規定の一部を構成する。この引用
規格は，その最新版（追補を含む。）を適用する。
JIS R 1600 ファインセラミックス関連用語
3
用語及び定義
この規格で用いる主な用語及び定義は，JIS R 1600によるほか，次による。
3.1
共振周波数
出力電圧が最大となるときの周波数。
3.2
共振ピーク幅
出力電圧波形において，最大出力電圧の1/2の値をもつ2点の周波数の差。
4
測定原理
圧電デバイスに機械的振動を加え，振動に伴って圧電デバイスに発生した電荷を負荷抵抗によって出力
電圧として測定し，発電特性を求める。
なお，発電特性に影響を及ぼす主要な因子として，圧電デバイスの機械的品質係数（Qm）及び電気機械
結合係数（k2）がある。
2
R 1762：2020
5
測定装置の構成
測定に用いる装置の構成及び測定装置は，次による。
測定系ブロック図を図1に示す。測定には，校正した装置を使用する。
図1−測定系ブロック図
a) 加振装置 圧電デバイスに与える機械的振動を発生する装置。正弦波の出力及び測定に必要な範囲の
振動数及び振動加速度の出力が可能でなければならない。圧電デバイスが共振状態になったとき，印
加振動加速度が低下しないように，フィードバック制御機能があることが望ましい。加振装置には，
防振対策を施さなければならない。加振装置及び固定ジグの選択指針を，参考として附属書Aに示す。
b) 固定ジグ 圧電デバイスを加振装置に固定するためのジグ。固定ジグは，測定帯域に固有振動数があ
ってはならない。固定ジグの固有振動数は，測定上限振動数より高い振動数でなければならない。圧
電デバイスの共振によるモーメントを吸収できなければならない。固定ジグについては，A.3を参考
にすることが望ましい。
c) 負荷抵抗 圧電デバイスの出力電圧を測定するために，圧電デバイスと電圧計の間に取り付ける抵抗。
d) 電圧計 圧電デバイスの出力電圧を測定するために，負荷抵抗に接続する電圧計。電圧計は，圧電デ
バイスの出力インピーダンスよりも10倍以上の入力インピーダンスでなければならない。入力インピ
ーダンスが不足する場合は，電圧計の前段でインピーダンス変換を行うことが望ましい。
e) 加速度計 圧電デバイスに印加する機械的振動の加速度を測定する計器。加速度計は，印加する振動
数に対応できる帯域幅がなければならない。圧電デバイスへの取付けについては，A.3を参考にする
ことが望ましい。
f)
レーザ変位計 物体の移動量をレーザ光を用いて測定する計器。付加おもりを直接観察できる場合は，
レーザ変位計を用いて付加おもりの変位を測定し，印加する機械的振動の加速度の測定精度向上を図
ることができる。このことから，レーザ変位計を設置してもよい。このとき，印加する振動数に対応
できる振動数帯域幅がなければならない。
g) 振動制御装置 ノイズなどの影響によって加振加速度及び振動周波数が変動しないよう，加振装置の
動作を制御する装置。
h) 記録装置 加振周波数，出力電圧及び加速度を連続的に記録する装置。付加おもりを直接観察できる
場合は，付加おもりの変位も記録する。
3
R 1762：2020
6
圧電デバイス
6.1
圧電デバイスの構成
圧電デバイスは，圧電材料が貼り付けられた片持ちはり（梁）の先端に付加おもりを付けた構成（図2
参照）とし，次による。
a) 圧電デバイスは，機械的ひずみが生じたとき電荷を発生する物質である圧電材料，その圧電材料を取
り付ける平板材料，出力電圧を取り出すための電極からなる。さらに，それらを固定ジグへの取付け
を容易にする支持部材で構成する（図2参照）。
b) 出力電圧を効率的に得るために，圧電デバイスに加速度を与える付加おもりを装着することが望まし
い。付加おもりは，特に形状は問わないが，振動に影響を及ぼしてはならない。
なお，理論出力電力の計算に用いる式(7)における付加おもりの実効質量（m）は，付加おもりの質
量と圧電材料の振動時の質量との合計とする。
c) 圧電材料である板状のセラミックス片は，厚さ方向に分極処理を施すことが望ましい。
d) 圧電デバイスは，固定ジグの部分を加振装置に固定する。
e) 出力電圧を取り出すための配線は，振動試験に影響を及ぼさない硬さ及び質量でなければならない。
f)
レーザ変位計を用いる場合は，圧電デバイスのできるだけ先端部の変位を測定する。また，反射レー
ザ光を正確に捕らえるために，レーザ照射面は鏡面仕上げとすることが望ましい。
図2−圧電デバイスの構成図
6.2
特性値の測定
特性値の測定前にあらかじめ，圧電デバイスを構成する圧電材料の長さ，幅，厚さ，質量，及び共振周
波数を計測する。付加おもりを装着した場合は，その質量も計測しておく。
7
出力電圧の測定手順及び出力電圧波形の作成方法
出力電圧の測定手順及び出力電圧波形の作成方法は，次による。
a) 印加加速度，機械的振動の周波数及び負荷抵抗を設定し，加振装置を用いて圧電デバイスに正弦波機
械的振動を印加して，負荷抵抗の両端に発生した出力電圧を測定する。
b) 印加する機械的振動は，圧電デバイスの測定前の共振周波数を中心に0.9倍〜1.1倍の範囲で設定した
下限振動数と上限振動数との間を，一定速度で往復周波数変化させる。振動数変化のステップ幅は，
圧電デバイスの帯域幅の1/20以下とする。
c) a)及びb)の手順を，異なる印加加速度，機械的振動の周波数及び負荷抵抗値において実施する。印加
4
R 1762：2020
振動加速度は，加振装置の最低出力から圧電デバイスの定格入力値の範囲において，動作加速度に対
して0.1倍〜5倍の間で3段階以上変化させる。負荷抵抗値は，圧電デバイスの出力インピーダンスを
中心の上下に2桁以上，少なくとも0.01倍，0.1倍，1倍，10倍及び100倍の5段階程度変更させる
ことが望ましい（例参照）。
例 振動周波数（Hz） ：35〜45（0.1 Hzステップ，1秒間保持）
振動加速度（m/s2） ：0.1，0.3及び1.0
負荷抵抗値（kΩ） ：0.3，1，10，30，100，1 000及び10 000
d) 印加した機械的振動の周波数及び出力電圧を用いて，出力電圧波形を作成する（図3参照）。
記号
f0： 最大出力時の周波数
f1： 出力電圧が最大値の1/2のときの低い方の周波数
f2： 出力電圧が最大値の1/2のときの高い方の周波数
V0： 最大出力電圧
図3−出力電圧波形の例
e) 出力電圧波形が左右対称でない場合は，圧電デバイス及びその固定，並びに用いた装置及びその接続
に問題がないかを確認し，問題がある場合は，交換，修理，調整などを行う（図4参照）。加振装置の
選択については，A.2.1を参考にすることが望ましい。
a) f0が低周波数側にずれた場合
b) f0が高周波数側にずれた場合
記号
f0： 共振周波数
f1： 出力電圧が最大値の1/2のときの低い方の周波数
f2： 出力電圧が最大値の1/2のときの高い方の周波数
V0： 最大出力電圧
図4−非対称な出力電圧波形の例
f)
出力電圧波形が左右対称かどうかを判断する目安として，低周波数側に10 %以内のずれの場合を式(1)
に，高周波数側に10 %以内のずれの場合を式(2)に示す。ただし，必ずしも十分条件ではなく，式(1)
及び式(2)に規定する範囲内の波形であることに注意することが望ましい。
5
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1
9.0
0
2
1
0
＜
＜
f
f
f
f
−
−
········································································ (1)
1.1
1
0
2
1
0
＜
＜
f
f
f
f
−
−
········································································ (2)
ここに，
f0： 共振周波数（Hz）
f1： 出力電圧が最大値の1/2のときの低い方の周波数（Hz）
f2： 出力電圧が最大値の1/2のときの高い方の周波数（Hz）
8
発電特性の求め方
8.1
一般
発電特性の評価対象項目は，圧電デバイスの発電特性に影響を及ぼす因子である出力電力（Pout），機械
的品質係数（Qm），電気機械結合係数（k2）及び出力効率（η）が挙げられる。付加おもりの質量は，発電
特性に影響を及ぼす因子ではあるが，設計項目であり，評価項目ではない。
8.2
出力電力
圧電デバイスの出力電力は，負荷抵抗で消費された電力とし，式(3)による。
R
V
P
2out
out=
··············································································· (3)
ここに， Pout： 出力電力（W）
Vout： 出力電圧のrms値（実効値）（V）
R： 負荷抵抗（Ω）
8.3
機械的品質係数
圧電デバイスの機械的品質係数は，式(4)による。
1
2
0
m
f
f
f
Q
−
=
············································································ (4)
ここに，
Qm： 機械的品質係数
f0： 共振周波数（Hz）
f1： 出力電圧が最大値の1/2のときの低い方の周波数（Hz）
f2： 出力電圧が最大値の1/2のときの高い方の周波数（Hz）
8.4
電気機械結合係数
圧電デバイスの電気機械結合係数は，式(5)による。
2sc
2sc
2oc
2
f
f
f
k
−
=
··········································································· (5)
ここに，
k2： 電気機械結合係数
fsc： 圧電デバイスに最小負荷抵抗を接続したときの共振周波数
（Hz）
foc： 圧電デバイスに最大負荷抵抗を接続したときの共振周波数
（Hz）
8.5
出力効率
圧電デバイスの出力効率は，式(6)による。
ave
max
P
P
η=
·················································································· (6)
ここに，
η： 出力効率
Pmax： 最大出力電力（W）
6
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Pave： 理論出力電力（W）
最大出力電力は，測定した圧電デバイスで得られた最大出力電力値とする。
理論出力電力の算出は，式(7)による。
+
+
=
2
*m
4
r
*m
2
ave
1
1
1
2
Q
k
ω
Q
mA
P
······················································· (7)
ここに， Pave： 理論出力電力（W）
m： 付加おもりの実効質量（kg）［6.1 b)参照］
A： 印加加速度のrms値（m/s2）
*m
Q： 最大発電量が得られるときの負荷抵抗値の1/100程度の負荷
抵抗を接続した場合の機械的品質係数（Qm）
ωr： 最大発電時の角周波数（rad/s）
k2： 電気機械結合係数
9
主要定数及び特性値の表し方
測定結果及び解析結果の数値の表し方は，次による。
a) 厚さ，質量，共振周波数，出力電圧，出力電力及び共振ピーク幅は，小数点以下3桁目を四捨五入し
て，小数点以下2桁で表す。
b) 長さ，幅，負荷抵抗値，機械的品質係数及び電気機械結合係数は，小数点以下1桁目を四捨五入して，
整数で表す。
c) 振動加速度は，小数点以下3桁目を四捨五入して，小数点以下2桁で表す。
10 測定結果報告書
測定結果報告書には，次の項目を記載する。
a) この規格の規格番号
b) 測定年月日及び測定者名
c) 圧電デバイス材料の名称，寸法，質量及び静電容量，並びに付加おもりの実効質量
d) 加振装置，電圧計並びに加速度計の製造業者名及びその品番
e) レーザ変位計を用いた場合は，その製造会社名及び品番
f)
測定条件（振動周波数範囲，周波数掃引速度，振動加速度範囲及び負荷抵抗範囲）
g) 測定結果（振動加速度，負荷抵抗値，共振周波数，出力電圧，共振ピーク幅及び出力電力）
h) 解析結果（機械的品質係数，電気機械結合係数，出力電力，振動加速度，負荷抵抗値，理論出力電力
及び出力効率）
i)
測定環境の温度及び湿度（少なくとも測定開始時及び測定終了時）
j)
測定に関する特記事項（固定ジグの形状，加振装置への圧電デバイスの固定方法など）
セラミックス圧電デバイスの報告例を，表1〜表4に示す。
7
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表1−セラミックス圧電デバイスの寸法・質量などの測定結果の例
試料名
長さ
（×10−3 m）
幅
（×10−3 m）
厚さ
（×10−3 m）
質量
（×10−3 kg）
測定前の
共振周波数
（kHz）
付加おもりの
実効質量
（×10−3 kg）
セラミックス圧電デバイス
75
10
0.33
0.70
39.95
2.80
表2−セラミックス圧電デバイスの測定条件の例
振動周波数範囲
（Hz）
周波数掃引速度
（Hz/s）
振動加速度範囲
（m/s2）
負荷抵抗範囲
（Ω）
38〜43
0.01
0.1〜1.0
300〜10 000 000
表3−セラミックス圧電デバイスの特性値解析結果の例
振動加速度
（m/s2）
負荷抵抗
（Ω）
共振周波数
（Hz）
出力電圧
（V）
共振
ピーク幅
（Hz）
出力電力
（µW）
機械的
品質係数
（Qm）
電気機械
結合係数
（%）
0.1
300
39.95
0.018
0.66
1.07
59
5.53
1 000
39.30
0.038
1.49
1.46
26
10 000
40.40
0.102
2.35
1.04
17
30 000
40.95
0.224
1.36
1.67
30
100 000
41.00
0.382
0.80
1.46
51
1 000 000
41.00
0.543
0.53
0.30
77
10 000 000
41.00
0.567
0.53
0.03
77
0.3
300
39.60
0.042
0.94
6.02
42
10.10
1 000
39.80
0.099
1.19
9.78
33
10 000
41.10
0.297
2.43
8.84
17
30 000
41.70
0.621
1.43
12.87
29
100 000
41.65
0.965
0.98
9.31
43
1 000 000
41.55
1.233
0.77
1.52
54
10 000 000
41.55
1.268
0.74
0.10
56
1.0
300
39.05
0.098
1.45
31.80
27
10.24
1 000
39.20
0.248
1.66
61.60
24
10 000
40.75
0.905
2.70
81.90
15
30 000
41.15
1.680
1.82
94.10
23
100 000
41.10
2.298
1.39
52.80
30
1 000 000
41.00
2.692
1.20
7.240
34
10 000 000
41.00
2.716
1.19
0.740
34
表4−セラミックス圧電デバイスの解析結果の例
振動加速度
（m/s2）
負荷抵抗
（Ω）
共振周波数
（Hz）
最大出力
電力
（µW）
機械的
品質係数
（Qm*）
電気機械
結合係数
（%）
理論出力
電力
（µW）
出力効率
（%）
0.1
30 000
40.95
1.67
59
5.53
1.67
98
0.3
30 000
41.70
12.87
42
10.10
12.87
83
1.0
30 000
41.15
94.10
47
10.24
170
57
8
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附属書A
（参考）
加振装置及び固定ジグの選択指針
A.1 一般
この附属書は，加振装置及び固定ジグについて信頼のある測定を行うための選択指針を示す。
A.2 加振装置
A.2.1 装置の選択
加振装置は，低加速度から波形ひずみが良好に得られる動電式振動試験装置を用いることが望ましい。
A.2.2 加振力
加振装置は，式(A.1)によって求められる必要加振力以上の装置定格加振力をもつことが望ましい。
F＝k×(ma＋mb＋m)×Qmax×Amax×2 ········································· (A.1)
ここに，
F： 必要加振力（N）
k： 余裕度（通常，2以上を用いている。）
ma： 加振機可動部質量（kg）
mb： 圧電デバイス及び固定ジグの合計質量（kg）
m： おもりの質量（kg）
Amax： 印加最大加速度のrms値（m/s2）
Qmax： 試料共振倍率（不明の場合は，100とするのがよい。）
注記 振動試験装置の定格加振力は，0-P値（ゼロ−ピーク値）で定義されているため，一定時間内
の振動の平均の大きさを表すrms値から0-P値への変換定数2を用いている。
A.2.3 速度
加振装置は，式(A.2)によって求められる必要速度以上の装置定格速度をもつことが望ましい。
min
max
π
2
2
f
A
k
V
×
×
×
=
··································································· (A.2)
ここに，
V： 必要速度（m/s）
k： 余裕度（通常，2を用いている。）
Amax： 印加最大加速度のrms値（m/s2）
fmin： 印加下限振動数（Hz）
注記 振動試験装置の定格速度は0-P値で定義されているため，rms値から0-P値への変換定数2を
用いている。
A.2.4 変位及び搭載質量
加振装置は，固定ジグの質量による可動域の減少を考慮し，式(A.3)によって求められる必要変位は，式
(A.4)によって求められる減少定格変位以下であることが望ましい。
2
min
2
max
)
π
2(
2
2
f
A
k
D
×
×
=
································································ (A.3)
ここに，
D： 必要変位のP-P値（mm）
k： 余裕度（通常，2を用いている。）
Amax：印加最大加速度のrms値（m/s2）
fmin：印加下限振動数（Hz）
注記1 0-P値からP-P値（ピーク−ピーク値）への変換のため定数2を，rms値から0-P値への変換
のため定数2を用いている。
9
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×
−
×
=
K
m
D
D
g
b
s
m
2
2
···························································· (A.4)
ここに，
Dm： 減少定格変位のP-P値（mm）
Ds： 装置定格変位のP-P値（mm）
K： ばね定数（N/mm）
mb： 圧電デバイス及び固定ジグの合計質量（kg）
g： 重力の加速度9.806 65（m/s2）
注記2 加振力300 N以下の小型振動発生機においては，可動部の中立点保持機能がなく，可動部が
ばねだけによって懸架された方式が多い。この場合は，固定ジグなどを搭載したときにその
質量によってばねが縮み，加振できる変位が減少する。
A.2.5 防振
印加下限振動数の1/3以下程度で防振することが望ましい。特に，レーザ変位計を用いた計測をする場
合は，加振装置の反力を床に伝達させないことが望ましい。
A.2.6 制御装置
ノイズなどの影響による加振振動数の減少を防ぐため，トラッキングフィルタを装備することが望まし
い。
A.3 固定ジグ
A.3.1 ジグ固有振動数
一般的に，片持ちはり（梁）形の圧電デバイスでは，圧電材料が取り付けられている平板材料の一方に
付加おもりが，もう一方に固定ジグへの取付けを容易にするために支持部材が取り付けられている。そし
て，この支持部材は固定ジグに固定され，更に加振装置に固定されている。この状態で加振した場合に，
支持部材が共振した場合は，正しい加速度を印加することができず，正しい測定ができない。
これを防ぐために，支持部材の固有振動数は，平板材料を固定した状態において測定上限振動数の5倍
以上とすることが望ましい。支持部材の共振現象は，固有振動数によって低い振動数から共振挙動が始ま
っており，加速度計の位置及び支持部材の位置によって加速度の差が発生する。その差をなくすために，
支持部材は，剛性の高い材料から作製されることが望ましい。
A.3.2 固定ジグ慣性モーメント
圧電デバイスが共振することによって生じるモーメントが支持部材に入力され，支持部材に回転運動挙
動が発生し，測定誤差を生む。それを防ぐため，支持部材の慣性モーメントを大きくすることが望ましい。
さらに，回転運動挙動が大きい場合は，共振周波数より低い周波数において発電量が低下したり，共振
周波数より高い周波数において発電量が多くなり，出力電圧波形が非対称になることがある。
参考文献
[1] M. Renaud, K. Karakaya, T. Sterken, P. Fiorini, C. Van Hoof and R. Puers. Fabrication, modelling and
characterization of MEMS piezoelectric vibration harvesters. Sensors and Actuators A 145-146 (2008)
pp.380-386.