參考資料來源:
https://www5.epsondevice.com/en/information/technical_info/pdf/tech_notes_e_gyro_20141120.pdf
Epson 技術文介紹 - AN0041 ( Dec., 2022 )
文: 林志遠，服務於台灣愛普生科技股份有限公司
電子零件事業部。
愛普生 XV-9000 系列，車輛姿態感測器(車規陀螺儀)
Epson XV-9000 系列車用姿態用陀螺儀感測原理和特性
【什麼是陀螺儀感測器?】
「角速度感應器」(俗稱陀螺儀感測器)是以測量物體角速度，角速度是每單位時間的角度變化量，以 角度/秒為動態量測基本單位(o/Sec.，或 Degree Per Second )。加速度感測器(或加速度計)經常與角速度感測器(下稱陀螺儀感測器)間產生混淆，陀螺儀感測器主要是測量物體旋轉運動的角速度，而加速 度計是測量物體線性運動速度的變化，由於它們分別是測量兩種不同的物理量，因此這些感測器可以組合搭配使用(三軸的三個陀螺儀感測器和三軸的三個加速度計)來感測物體的三維運動。
【愛普生陀螺儀感測器】
愛普生陀螺儀感測器因為具備出色的溫度特性和低雜訊的優異特性為許多不同應用發展做出了極大 的貢獻。而眾所周知的應用，包括汽車導航(Dead reckoning/航位推算)、家用電視遊戲系統的遙控 器(手把)、3D 滑鼠、掃地機器人和業餘愛好應用。
愛普生陀螺儀同時也廣泛被運用於數位相機的光學影像穩定系統，這些系統的工作原理是使用陀螺儀感測器來檢測和補償相機抖動，並移動鏡頭影像感測器，從而減少由相機移動引起的模糊影像訊號。光學影像穩定系統以色段為單位進行測量，其中每次校正都將獲得與未應用雙倍快門速度校正 時相同的模糊量。使用愛普生陀螺儀感測器的影像穩定系統實現了四級校正(16 倍快門速度)，並提高了至少兩倍以上影像穩定性能的競爭性。
愛普生還開發了專用於車輛姿態感測的陀螺儀感測器，用於電子穩定控制(ESC)和翻滾(rollover)檢 測。愛普生 XV-9000 系列陀螺儀感測器經過精心設計，可以滿足汽車電子對於溫度、可靠性和品 質的嚴格要求。
本篇技術文章中，我們將對於 XV-9000 系列陀螺儀感測器進行介紹說明。
圖一. XV-9000 系列陀螺儀感測器(用於車輛姿態感測)
LP 封裝(左上)、CD 封裝(左下)、LV 封裝(右上)
表 1. XV-9000 系列(規格特性)
【電子穩定控制系統 - Electronic Stability Control，ESC】
陀螺儀感測器在電子穩定控制系統中至關重要，當感知車輛打滑時可透過制動控制以及發動機扭矩 來提高車輛安全性，透過駕駛員的動作(例如，轉向、加速和煞車制動)和車輛方向(由陀螺儀感測器和加速度計來測量)以進行檢測車輛是否打滑。
根據相關研究參考資料，電子穩定控制系統可以減少 30%以上的碰撞，因此世界上許多國家都強制要求所有車輛需搭載電子穩定控制系統。
美國要求在 2011 年 9 月或之後銷售的所有 4.54 噸以下的新乘用車使用電子穩定控制系統。歐洲要求 2011 年 11 月以後銷售的所有車型以及 2014 年 11 月以後銷售的所有新車均需採用電子穩定控制系統。日本要求 2012 年 10 月以後銷售的所有車型以及 2014 年 10 月 1 日起銷售的特定車型需使用 電子穩定控制系統。
電子穩定性控制(ESC)取決於採用哪幾種類型的感測器，其中包括陀螺儀感測器。這些陀螺儀感測器 與汽車系統中使用的所有元件一樣，特別是涉及安全性的元件，將會受到與許多消費型元件所沒有 的特殊要求與限制。它們必須非常可靠，並能承受高溫，例如煞車制動單元中所產生的高溫，並且 即使在受到衝擊和振動時也必須保持精確與穩定的特性。
愛普生的 XV-9000 系列陀螺儀感測器，主要設計用於電子穩定控制和翻滾保護系統，可用於檢測任 何汽車應用的偏航或側傾。
【XV-9000 系列產品特色】
XV-9000 系列具有以下五項功能。
(1)使用壓電材料(石英)和愛普生專利 Double-T 結構感應器設計，具低雜訊特性與優異訊號穩定性
(2)內部感測單元與支撐結構設計，可降低陀螺儀感測器對於衝擊和振動的影響
(3)高溫操作能力，可以安裝使用在制動單元
(4)高可靠度，BIST 功能(Built-In Self-Test，內建自我測試功能)可在任何時間和啟動時提供故障警示
(5) J 型引腳設計，提供更高信賴性的連接特性(XV-9000LV 封裝、XV-9000LP 封裝)
感測器元件如圖 3 所示，感測器元件相對於其中心是相互對稱，中心區域透過安裝固定。 由於元件支撐在固定點重心，因此當外力產生時，它能夠保持穩定。
圖 3 旋轉運動和線性運動過程的感測器元件動作特性
上接下來，我們根據實際的感測流程進行測試說明。首先，當向陀螺儀感測器供電時，逆壓電效應會導致驅動臂開始振動，而當驅動臂振動且感測臂旋轉時，驅動臂中會產生科里奧利力。感測臂承受與科里奧利力成比例的彎曲振動。由於壓電效應，每個感測臂的彎曲會產生電荷。此時，感測器元件將會輸出與角速度成比例的電子信號。
壓電效應和逆壓電效應是石英晶體的物理特性。壓電效應是當石英晶體受到機械壓力時，石英晶體上會產生電勢，電勢取決於施加的壓力。相反，逆壓電效應是對石英晶體施加電場時，石英晶體本身會出現機械變形而產生頻率變化。雖然許多陀螺儀感測器使用壓電效應，但愛普生的陀螺儀感測器是由單一石英晶體製作而成，因此具有更好的穩定性。
現在，讓我們考慮陀螺儀感測器在線性運動下的行為模式，例如，當橫向線性運動應用於振動與驅動臂時。橫向線性運動的應用在兩個感測臂中產生同一相位的彎曲振動，但由於所搭配使用的差分放大器，會讓這種效應被抵消，因此陀螺儀感測器並不會受到加速度(平移運動)的影響。
接下來，我們將介紹 XV-9000 系列的抗振動性和抗衝擊性。下圖 4 中的左圖顯示了在 10G 加速度下施加 10Hz 至 3000 Hz 頻率時的感測器輸出，並將所施加的頻率繪製在水平軸，而感測器的加速 度靈敏度(加速度相當於每 1G 輸出的電壓)繪製在垂直軸。由測量結果顯示，在任何頻率下都沒有異常輸出。
同時，圖 4 的右圖顯示了施加 500G 大衝擊時的感測器輸出。水平軸顯示回應時間，並在 0 秒點處施加衝擊。即使暴露在 500G 的高 G 力下，感測器的輸出也不會發生異常。
這說明了愛普生 XV-9000 系列陀螺儀感測器卓越的抗振性和抗衝擊性。
這說明了愛普生 XV-9000 系列陀螺儀感測器卓越的抗振性和抗衝擊性。
圖 4:低振動感度(左)和低衝擊感度(右)
【極端異常失效輸出抑制功能】
除了感測器元件本身固有的抗振性和抗衝擊性外，XV-9000 系列陀螺儀感測器還具有內置信號處理電路，可最大限度地減少振動和衝擊引起的異常輸出。這使得陀螺儀感測器安裝系統能夠使用簡單 的結構設計，並提高整體系統穩定性。
愛普生致力於追求陀螺儀感測器相關應用潛力，從相機，電視遊戲機和消費產品到車輛控制和安全系統。詳細產品規格，請連結至以下愛普生官方網站。
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