「松下(Panasonic)EWTS82陀螺仪」技术报告.doc

松下(Panasonic)EWTS82陀螺儀技術報告 傳統陀螺儀利用音叉運動，擷取角速度的原理，如圖1所示，假設在定速旋轉的參考平面上，放置一個音叉(Tuning Fork)，當音叉被敲動後，其兩支音叉會沿著徑向(Radial)方向運動，產生彼此接近或疏遠的現象。當兩支音叉彼此接近時，都會受到科氏力(Coriolis Force)的作用。圖1利用音叉在固定角速率旋轉平面上的運動來解釋音叉陀螺儀原理 假設音叉的質量為m，離參考旋轉平面(Reference Rotating Frame)中心點的距離為r。此時沿徑向的速度為：， 切線速度與角速度的關係為： 此時音叉所具有的轉動動量，如下式所示： 作用在音叉的力矩為，因為力矩等於轉動慣量的時變率，所以。當載具為等角速率運動時(一般應用皆滿足此條件)：則：。 所以由上式可知，科氏力與音叉距參考旋轉平面中心的距離無關，只與音叉質量、徑向瞬時速率Vrad，和載具的角速度有關。在一般應用上，徑向運動是屬於簡諧運動(Simple Harmonic Motion)，例如音叉的振動，所以Vrad(t)ksin(2ft)，其中k為常數，f為諧振頻率。因而可導出下方公式：因此柯氏力相當於角速率(t)，來調變載波sin(2ft)。 傳統陀螺儀是利用壓電材料，來製作音叉。其工作原理是：壓電材料輸入適當的驅動電氣訊號(Vrad(t)時，壓電材質會產生形變，而在徑向產生簡諧運動sin(2ft)。兩個互為反方向的科氏力，作用於參考平面(此時為壓電材質的基座)，而產生形變，進而導致電壓的變化。將擷取到的電壓變化資訊，經由解調變(去除sin(2ft)之後，得到正比於角速率的訊號，便能獲得角速度變化的訊號。 圖2為松下(Panasonic)EWTS82陀螺儀外觀圖，其利用音叉所產生的科氏力，來偵測角速率fw的變化。感測器內含音叉、音叉驅動電路，和訊號處理電路(如圖3)。當載具有角速率運動時，感測器音叉，會被兩個互為反方向的科氏力作用而扭曲，產生圖4的波形。此一訊號波形等效於角速率fw來調變振幅(AM調變)，而載波的頻率為驅動頻率fd。利用同步偵測，並以fd為基底，即可解出角速率fw的資訊(圖4)。圖2Panasonic EWTS82陀螺儀外觀圖圖3松下陀螺儀(Panasonic EWTS82)的訊號處理電路方塊圖圖4角速率資訊的調變和解調變短評： 本文是松下陀螺儀(Panasonic EWTS82)等效電路模型及工作原理，其特點是： 1. 此種陀螺儀感測器是屬於自主性元件，不須依靠外部輔助資訊。可以利用微機電的製程，加以製作。 2. 一般陀螺儀整合的技術很多，所以進入的門檻也很高，本國中小企業廠商，非常難切入這個領域。這種音叉式陀螺儀的結構較簡單，而目前台積電有幫ADI公司，進行微機電及CMOS製程代工，並交給中壢工業區的精材科技，進行蝕刻。最後交給京元電子，進行構裝與測試。所以如果能有大廠的經費贊助，加上了解這項技術，提出一些專利，那麼這種陀螺儀，就很容易在國內生產、製造、深根茁壯，而關鍵零組件不受國外管制，成本能夠降低，才能帶動機器人的產業。 3. 微機電加速儀及陀螺儀擁有體積小、重量輕、可大量製造