DE3877622T2 - Inertialsensor. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft Inertialsensoren der Bauarten, die gelegentlich als Multioszillatoren bezeichnet werden.
• Multioszillatoren wurden als ein Mittel zum überwinden des "Lock-In"- Problems in Ringlaserkreiseln vorgeschlagen. Wie bekannt ist, betrifft Lock-In die Tendenz von gegenläufigen Strahlen bei niedrigen Eingabedrehgeschwindigkeiten bei einer einzelnen Frequenz, oder einem Einrastpunkt, zu lasern. Ringlaserkreisel als solche sind im wesentlichen unempfindlich für Drehgeschwindigkeiten unterhalb bekannter, charakteristischer Schwellwerte. Der Bereich von Eingangsgeschwindigkeiten, über dem der Kreisel keinen Ausgang erzeugt, ist als die "tote Zone" bekannt. Ein übliches Mittel zum Überwinden dieser Unempfindlichkeit ist ein mechanisches Dithertn und umfaßt das Anlegen einer begrenzten schwingenden Bewegung an den Kreiselrahmen. Auf diese Weise wird der Kreisel ständig durch die tote Zone gewobbelt und die Lock-In-Effekte können erheblich vermindert werden. Die Unzulänglichkeiten des mechanisch geditherten kreisels sind in der Technik anerkannt.
• Dem Wesen nach arbeitet ein Multioszillator als ein Paar von Zweimoden-Ringlaserkreiseln, die einen einzelnen Hohlraum gemeinsam benutzen. Der Multioszillator-Lichthohlraum ünterstützt ein im wesentlichen linkskreispolarisiertes (LCP) Strahlenpaar, das einen im Uhrzeigersinn und einen anderen gegen den Uhrzeigersinn umlaufenden Strahl umfaßt, und ein im wesentlichen rechtskreispolarisiertes Strahlenpaar (RCP), das ebenfalls gegenläufige Strahlen umfaßt. Ideal verhält sich jedes Strahlenpaar als Zweimoden-Ringlaserkreisel und erfühlt durch den Sagnac-Effekt Körperdrehungen.
• Um eine unabhängige Funktion dieser beiden Kreisel in dem gleichen Hohlraum zu erreichen, wird eine Einrichtung auf den Hohlraum angewendet, die sicherstellt, daß die beiden Strahlenpaare, ein Paar mit LCP-Licht und ein anderes mit RCP-Licht, um unterschiedliche Frequenzen herum arbeiten. Diese Frequenzseparation ist als "Reziprokspaltung bekannt und hat typisch die Größe von einigen Hundert MHz. Frühe Multioszillator-Konstruktionen erreichten die erforderliche Reziprokspaltung durch Anbringen eines in geeigneter Weise ausgerichteten, optisch aktiven Elements in einem Drei- oder Vierspiegelhohlraum, wie zum Beispiel in US Patent Nr. 3,741,657 von Andringa für "Differential Laser Gyro Systems" beschrieben. Das Hinzufügen eines Hohlraum-Innenelements erhöht die Hohlraumverluste. Dies ist zum Schaden der Kreiselleistung, und ein bevorzugtes Verfahren zum Erzeugen einer Reziprokspaltung ist die Verwendung eines nicht-planaren Lichtpfads, der unterschiedliche Umlaufphasenverschiebungen für LCP- und RCP-Licht und somit unterschiedliche Lasing-Frequenzen erzeugt. Dieses Verfahren ist in Seriennummern 4,229,106 von Dorschner et al. für "Electromagnetic Ring Resonator" und 4,585,501 von Smith et al. für "Laser Gyroscope Systems" beschrieben.
• Mit der Reziprokspaltungstechnik in Tätigkeit, können die zwei Kreisel der Multioszillator-Konfiguration unabhänghig arbeiten, aber jeder wird noch dem Lock-In-Phänomen unterliegen. Anders als der mechanisch vibrierte Kreisel, bei dem eine AC-Vorbelastung über die Zittereinrichtung angelegt wird, vereitelt der Multioszillator dieses Problem durch Anlegen einer DC-Vorbelastung an die beiden Kreisel, so dar jeder um einen Punkt herum arbeitet, der weit entfernt von dem toten Band ist. Diese Vorbelastung ist als Nicht-Reziprokspaltung bekannt und wird durch Einbringen einer Faraday-Drehung in den Hohlraum erreicht. Wenn kreispolarisiertes Licht durch einen Faraday-Rotator fließt, erfährt es eine Phasenverschiebung, die von der Ausbreitungsrichtung durch den Rotator abhängt. Auf solche Weise erfahren die rechtsumlaufenden und linksumlaufenden Strahlen jedes kreisels verschiedene Phasenverschiebungen und lasern folglich bei verschiedenen Frequenzen. Typische Werte für die Nicht-Reziprokspaltung in einem Multioszillator sind viel kleiner (ca. 1MHz) als die Reziprokspaltung. Nicht-Reziprokspaltung kann durch Verwendung eines Hohlraum-Innenelements aus geeignetem Glas, das innerhalb eines Axialmagnetfelds, wie zum Beispiel dem in dem vorerwähnten US Patent von Andringa beschriebenen, angebracht wird, oder durch Umgeben des gasförmigen Verstärkungsmediums des Hohlraums mit einem Axialmagnetfeld, wie in dem Patent von Dorschner et al. beschrieben, erzielt werden.
• Wenn Nicht-Reziprokspaltung in der vorgeschriebenen Weise auf den Multioszillator angewendet wird, ist die resultierende Vorbelastungsverschiebung in dem linkskreispolarisierten Kreisel gleich der in dem rechtskreispolarisierten Kreisel, aber mit entgegengesetztem Vorzeichen. Folglich ist, wenn die Ausgänge der beiden Kreisel summiert werden, das resultierende Signal doppelt empfindlich für körperdrehung, aber unabhängig von der Größe der angelegten Vorbelastung. Auf diese Weise macht die differentielle Natur des Multioszillators ihn inhärent unempfindlich für Vorbelastungsabweichungen, die z.B. durch Aenderungen im Magnetfeld, Temperatur oder dergleichen, die sich als ein Hauptproblem in Einzelkreisel-, Zweimoden-Konstruktionen mit DC- Vorbelastung erwiesen haben, verursacht werden können.
• Es ist wünschenswert, dar Navigationssysteme in der Lage sind, raumabhängige Variablen, z.B. Drehung, mit Bezug auf (oder um) einen Satz von drei orthogonalen Achsen zu messen. Die vorangehende Beschreibung eines Multioszillators spricht die Probleme, die dem Versuch, einen praktischen Sensor zu verwirklichen, der um drei Meß- oder Eingangssachsen empfindlich ist, anhaftend sind, nicht an. Die Konstruktion eines Dreiachsen-Multioszillators, oder eigentlich jedes Ringlasers, der ausreichend kompakt und im Herstellungssinn realisierbar ist, ist von zahlreichen Schwierigkeiten umgeben. In dem Verfahren eines Ringlasers stehen notwendigerweise das gewählte Füllgas (-gase) mit angelegten elektrischen Feldern in gegenseitiger Beeinflussung, um die gewünschte Lasing-Aktion zu erzeugen. Folglich muß der Entwurf jedes Ringlaserkreisels zusätzlich zum Festlegen von Spiegelflächen und internen Bohrungen die Positionierung von Anoden und Kathoden vorsehen.
• Ein Sensorkonstrukteur muß die Probleme erkennen, die bei einem Gerät auftreten, dessen Funktion auf der Erzeugung von Stromflüssen in einem gasförmigen Medium beruht. Unvermeidliche Gasflüsse innerhalb des Laserhohlraums können sich als ziemlich schädlich für den Langzeitbetrieb des Geräts erweisen. Sogenannte Langmuir-Flußeffekte, die, unter anderen, unerwünschte thermische Vorbelastungen erzeugen, können die Laserleistung beträchtlich verschlechtern. Solche Effekte wurden in wechselndem Umfang in einigen Einachs-Geräten durch das symmetrische Anbringen einer Mehrzahl von Elektroden um den Instrumentenkörper herum kompensiert. Im allgemeinen bedeutete dies die Verwendung zahlreicher Elektroden. Somit verwenden die Patente von Dorschner et al. und Smith et al. Mehrfach-Elektrodenanordnungen, während der planare Multioszillator von Andringa zwei Kathoden und eine einzelne Anode zum Messen der Drehung um eine einzelne Achse verwendet.
• Die US-Patente von Stiles et al. (Nr. 4, 477,188) und Simms (Nr. 4, 407,583) eröffnen die Vereinigung von drei planaren Kreiselhohlräumen in einem einzelnen Block. Die Erweiterung eines Ringlaserkonzepts zu einer Einheit zur Messung der Drehung um drei orthogonale Achsen erschwert notwendigerweise das Problem der Bereitstellung einer geeigneten Anordnung von Elektroden. Das Gerät von Stiles et al. verwendet sechs Anoden und zwei Kathoden, während die Vorrichtung von Simms sechs Anoden und eine einzelne Kathode enthält. Die Verwendung einer erheblichen Anzahl von Elektroden erschwert die Instrumentenkonstruktion beträchtlich. Jede Elektrode muß an (oder innerhalb) dem Kreiselrahmen in einer Weise dicht befestigt sein, daß das Gerät luftdicht bleibt. Dies kann dem Herstellungsprozess bedeutende Schwierigkeiten zufügen. Die physische Größe der Elektroden erschwert die Gerätekonstruktion. Ein große Zahl von Elektroden nimmt für den Aufbau einen entsprechend großen Prozentsatz des Oberflächenbereichs des Rahmens ein. Die Größe und Form des Blockrahmens können nicht in ausreichendem Umfang verminderbar sein, um überschläge oder andere ungewollte elektrische Wechselwirkungen zu verhindern. Die Konstruktion eines Ringlaser-Drehgeschwindigkeitssensors, der empfindlich für Drehung um drei orthogonale Achsen ist, wird folglich durch unvermeidbare Effekte von Gasflüssen bedeutend erschwert.
• Weiter sind die Eigenschaften (d.h. Empfindlichkeit) und Preis des Instruments Funktionen der Größe des Blockrahmens. Eine Konstruktion, die zusätzlichen Oberflächenbereich zur Trennung von Elektroden benötigt, addiert sich zwangsläufig zu den Kosten. Solche Zusatzkosten machen teilweise die Vorteile der Kompaktheit eines Geräts mit drei Achsen in einem Block zunichte und können die Konstruktion für Einweganwendungen, wie zum Beispiel Lenkwaffen, in denen die Prämie bei der Wirtschaftlichkeit liegt und Genauigkeit nicht kritisch ist, ungeeignet machen.
• GB-A-2090697 (US 4397027) zeigt eine weitere Form eines Kreisels, der zwei nicht-planare Laserhohlräume mit einem im allgemeinen kubisch geformten Block mit abgestumpften Spitzen, um eine ausgeprägte Oberfläche für jeden der Hohlraumspiegel bereitzustellen, enthält. Es legt keine Dreiachsen-Einblockstruktur offen.
• Simms et al (EP-A-0209279) erzielt, wie oben beschrieben, drei Achsen in einem Block, aber nur in dem Zusammenhang von planaren Hohlräumen, die an ihren Ecken miteinander kommunizieren, und in denen alle sechs Kubusflächen als Spiegelhalterungen verwendet werden.
• Erfindungsgemäß wird ein Ringlaserkreisel zum Erfassen der Rotation um drei zueinander orthogonal stehende Achsen bereitgestellt und umfassend einen Block, der eine Mehrzahl von planaren Flächen aufweist und mehr als einen geschlossenen nicht-planaren Laserhohlraum enthält, von denen jeder vier gerade Segmente gleicher Länge umfaßt, wobei reflektierende Bereiche zum Richten von Licht um die Hohlräume bereitgestellt und auf einigen der Oberflächen des Blocks angebracht sind, dadurch gekennzeichnet, dar drei sich kreuzende Laserhohlräume vorhanden sind, wobei die Hohlräume und Oberflächen so angeordnet sind, dar mindestens eine der Oberflächen eine Befestigung für eine Mehrzahl der reflektierenden Bereiche bildet, um Licht um betreffende der Hohlräume zu richten.
• Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung und um zu zeigen, wie diese ausgeführt werden kann, wird nun beispielhaft auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, in denen:
• Figur 1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Ausführung eines symmetrischen Multioszil lators des regelmäßigen Oktaeder-Typs ist;
• Figur 2 eine perspektivische Ansicht der Erfindung von Figur 1, die Pfeile zum Bezeichnen der internen Gasflüsse zum Entgegenwirken von Fresnel-Frizeau-Effekten enthält, ist;
• Figur 3 eine perspektivische Ansicht einer anderen erfindungsgemäßen Ausführung eines symmetrischen Multioszillators des Dodekaeder-Typs ist; und
• Figur 4 eine perspektivische Ansicht der Erfindung von Figur 3, die Pfeile zum Anzeigen der Pfade des Gasflusses darin enthält, ist.
• Nun zu den Zeichnungen. Figur 1 ist eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Ausführung eines symmetrischen Multioszil lators 10 des regelmäßigen Oktaeder Typs. In dieser und der folgenden Figur sind Nummern, die auf Merkmale innerhalb oder auf der entgegengesetzten Seite des dargestellten Kreiselrahmens hinweisen, in Klammern eingeschlossen (nur Zeichnungen).
• Die Bezeichnung "regelmäßiger Oktaeder bezieht sich auf die Tatsache, dar der Rahmen des Multioszillators 10 durch selektives Abstumpfen eines oktaederförmigen Blocks aus geeignetem Material mit niedriger Wärmeausdehnung, z.B. Zerodur, geformt ist. Wie aus der folgenden Erörterung ersichtlich werden wird, macht es die Form des Blocks möglich, zahlreiche Herstellungs- und Kompaktheitsvorteile bei einem Dreiachsen-Multioszillator, der einen einzelzelnen Integralblock umfaßt, zu erzielen.
• Der Multioszillator 10 ist konstruiert, um Drehungen um drei orthogonale Achsen X-Achse 12, Y-Achse 14 und Z-Achse 16 zu messen. Eine Mehrzahl von verlängerten Bohrungen oder Beinen gleicher Längen innerhalb des Rahmens sind in drei kreuzende nicht-planare Laserhohlräume (X-Achsenhohlraum 28, Y-Achsenhohlraum 30 und Z-Achsenhohlraum 36) angeordnet, wobei jeder Hohlraum eine geschlossene vierseitige Figur umfaI3t. Die äußere Form des Multioszillator-Rahmens und die Innenhohlräume stehen mit anderen Elementen, einschließlich Hohlraumspiegeln und Faraday-Rotatorelementen, in Wechselwirkung, damit das Gerät bei Verwendung von nur drei Elektroden, einer Kathode 18 und Anoden 20 und 22, wirkungsvoll arbeiten kann. Wie oben erörtert, erlaubt die resultierende Ersparnis von Elektroden dem Multioszillator 10 als ein kompaktes Instrument aufgebaut zu werden, was eine größere Packungseffizienz erlaubt. Sehr kleine Kreisel sind in Anwendungen ziemlich wünschenswert, deren Packungs- (Raum) Einschränkungen und Kostenüberlegungen über Genauigkeitsanforderungen vorherrschen, wie zum Beispiel bei Lenkwaffen.
• Die Elektroden 18, 20 und 22 sind mit kerkömmlichen Mitteln am Rahmen des Multioszillators 10 befestigt. Das Innere jeder dieser Elektroden steht natürlich mit den darunterliegenden Laserhohlräumen in Verbindung. Wie aus der Erörterung und den Zeichnungen ersichtlich werden wird, ist die vorliegende Erfindung gleichermaßen zugänglich für die Verwendung von Elektroden (besonders der Kathode), die im Rahmeninnern sind. Innerhalb der kreuzenden nicht-planaren Hohlräume ist in jeder Ausführung genügend Raum zum Anbringen solcher Elektroden vorhanden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Eintrittsbohrungen 24 und 26 verbinden Anoden 20 bzw. 22 mit den Beinen von X-Achsenhohlraum 28 bzw. Y-Achsenhohlraum 30, während Austrittsbohrung 32 die Kathode 18 mit einer Kreuzung 34 der Hohlräume 28 und 30 verbindet.
• Jeder der geschlossenen Hohlräume ist zum Messen der Drehung um eine der drei Achsen eingerichtet. Folglich sind die oben erwähnten Hohlräume 28 und 30 empfindlich für Eingangsdrehungen um Achsen 12 bzw. 14, während der geschlossene Hohlraum 36 die Drehung um die Z-Eingangsachse 16 mißt. Ein Spiegel ist anliegend an jeder der Kreuzungen von Bohrungs- oder Beinsegmenten, die einen einzelnen geschlossenen Hohlraum ausmachen, angebracht. Die Spiegel sind angeordnet, um die gegenläufigen Laserstrahlen innerhalb jedes Hohlraums zu richten, und ein Spiegel aus jedem Satz von Hohlraumspiegeln ist natürlich für ausreichende Durchlässigkeit konstruiert, um die Messung der überlagerungsfrequenz innerhalb dieses Hohlraums zu erlauben.
• Nimmt man den X-Achsenhohlraum 28 als repräsentativ, sind die Spiegel 38, 40, 42 und 44 in Bezug auf die Beine, die den Hohlraum 28 bilden, geneigt, so daß das Laserlicht im wesentlichen übereinstimmend mit den Bohrungsachsen, die diesen geschlossenen Hohlraum bilden, übertragen wird und nacheinander auf die optischen Mitten der Hohlraumspiegel aufprallt. Referenznummern 72 und 74 bezeichnen Spiegel der Y- und Z-Achsenhohlräume.
• Die Hohlraumspiegel sind an der Oberfläche des Multioszillatorrahmens durch optische Kontaktierung und/oder Klebstoff befestigt. Die Spiegel sind an einer begrenzten Zahl der äußeren Oberflächen des Rahmens befestigt, um den Umfang und die Schwierigkeit des bei der Herstellung erforderlichen Schleifaufwands zu minimieren. Besonders drei Spiegel, jeder zugehörig zu einem der drei getrennten geschlossenen Hohlräume, werden an jeder der Oberflächen 46, 48, 50 und 52 befestigt. Jede der erwähnten Oberflächen des vierzehn (14)-seitigen Rahmens, an die Spiegel montiert werden, ist eine verbleibende Oberfläche des Tetraeders, aus dem der Rahmen durch aufeinanderfolgende Abstumpfungen schließlich hergestellt wird. Durch Bilden dieser Anordnung von Spiegeln werden die formellen (betriebsmäßigen) Anforderungen eines Dreiachsen-Multioszillators erfüllt. Ferner wird, wie oben erwähnt, der Schleifaufwand minimiert. Ein entscheidender Vorteil der gemeinsamen Nutzung der Rahmenoberflächen durch drei Hohlraumspiegel ist, daß eine solche Anordnung die Konstruktion eines Dreiachsen-Multioszillators gemäß einer Ausführung erlaubt, in der ein einzelner großer Spiegel an jeder Tetraeder-Oberfläche zum Bewirken der gewünschten Funktion des Instruments vorgesehen ist. Solch eine Konstruktion kann besonders vorteilhaft für einen preiswerten kompakten Multioszillator mit geringer Genauigkeit sein.
• Zurück zu den inneren Hohlräumen des Rahmens. Die Faraday-Rotatoren 54, 56 und 58 sind jeweils in einem Bein von jedem der drei geschlossenen Hohlräume 28, 30 bzw. 36 angebracht. Jeder der Rotatoren umfaßt ein dünnes Stück Faraday-Glas zum Bewirken der Nicht-Reziprokspaltung der Frequenzen der gegenläufigen Strahlen des rechts- und linkskreispolarisierten Lichts eines jeden Hohlraums. Wie zu sehen sein wird, liefert jeder Rotator zusätzlich eine Einrichtung zum Blockieren ungewollter Entladungspfade.
• Die Regulierung des Gasflusses innerhalb des Instruments wird zusätzlich durch die Anwesenheit verschiedener Durchgänge und Verbindungen zwischen den Hohlräumen beeinflußt. Wie zuvor erwahnt, ist ein Kreuzungspunkt 34 anliegend an die Austrittsbohrung 32 vorgesehen. Der X-Achsenhohlraum zum Messen der Drehung um die X-Achse 12 und der Y-Achsenhohlraum 30 zum Messen der Drehung um die Y-Achse 14 kreuzen bei dem Punkt 34, um dazwischen einen Durchgang zu bilden.
• Die gleichen zwei geschlossenen Hohlräume kreuzen an einem Kreuzungspunkt 60. Der Y-Achsenhohlraum 30 kreuzt den Z-Achsenhohlraum 36 zum Messen der Drehung um die Z-Achse 16 bei den Kreuzungspunkten 62 und 63, während der X-Achsenhohlraum 28 und der Z-Achsenhohlraum 36 bei den Kreuzungspunkten 64 und 66 kreuzen. Ein Bypass-Rohr 68, das innerhalb des Rahmens gebildet ist, verbindet den X-Achsenhohlraum 28 und den Z-Achsenhohlraum 36, während ein Bypass-Rohr 70 den Y-Achsenhohlraum 30 mit dem Z-Achsenhohlraum 36, wie dargestellt, verbindet.
• Figur 2 ist eine perspektivische Ansicht des Multioszillators von Figur 1, welche die Bereiche elektrischer Entladung und Pfeile zum Bezeichnen der internen Gasflüsse innerhalb des Multioszillatorrahmens enthält. Die Flüsse resultieren aus der Gesamtform des Multioszillators einschließlich der Formen und Kreuzungen der internen geschlossenen Hohlräume, der Platzierung der verschiedenen Faraday- Elemente, des Orts der Bypass-Rohre 68 und 70, der Anoden 20 und 22 und der Kathode 18. Es ist anzumerken, daß die elektrischen Entladungspfade wegen der blockierenden Wirkung der Faraday-Elemente 54, 56 und 58 den gezeigten Pfaden folgen, anstelle des kürzeren Wegs vorbei an den Spiegeln 44, 72 und 74.
• Der Multioszillator 10 ist eingerichtet, um Nettogasflüsse innerhalb der Hohlräume 28, 30 und 36 bereitzustellen, so daß unerwünschte Phasenverschiebungen, verursacht durch wohlbekannte Fresnel-Frizeau- Effekte, ausgelöscht werden. Es ist wohlverstanden, dar die Größe einer solchen Phasenverschiebung proportional zu der Größe des Nettogasflusses innerhalb des Hohlraums ist, und dar das Vorzeichen der Phasenverschiebung eine Funktion der Richtung eines solchen Nettogasflusses ist.
• Pfeile zeigen die Richtung des Gasflusses innerhalb der Hohlräume 28, 30 und 36 an. Diese Pfeile betreffen den primären Gasfluß in den Mitten der Bohrungen, wo sich die den Hohlraum umlaufenden Laserstrahlen befinden. Jeder Fluß resultiert aus dem wohlverstandenen Bestreben des ionisierten Stroms, auf dem kürzesten Weg von einer Anode zu einer Kathode zu fließen. Aus der Anode 20 austretender Stromfluß ist durch dichteres Punktieren als der, der aus der Anode 22 stammt, gekennzeichnet. Es ist einzusehen, daß eine Löschung des Fresnel-Frizeau-Effekts in jedem der geschlossenen Hohlräume insoweit erzeugt wird, als in jedem die gleiche Länge des rechtsumlaufenden Gasflusses durch eine gleiche Länge eines linksumlaufenden Gasflusses ausgeglichen wird. Es ist weiter offensichtlich, dar der Faraday-Rotator der Hohlräume Bereiche "ohne Fluß" erzeugt, die bei der Erzeugung einer Flugauslöschung innerhalb der Hohlräume 28, 30 und 36 zusammenarbeiten.
• Gasflußeffekte, hervorgerufen durch Langmuir-Fluß, werden ziemlich wohlverstanden in drei- oder vierspiegeligen, planaren Einachshohlräumen ohne Hohlrauminnenelemente. Doppelentladungs-Konstruktionen werden verwendet, um die resultierenden ungewollten Vorbelastungen in Folge des Fresnel-Frizeau-Effekts zu löschen. Die Entladungspfade in den Oktaeder- und den Dodekaeder-Dreiachsenausführungen dieser Erfindung wenden ähnliche Prinzipien an, um diese Effekte zu löschen. Die verschiedenen Bohrungs-Zwischenverbindungen in diesen Dreiachsen- Konstruktionen und die Bereitstellung von Faraday-Hohlrauminnenelementen für den Multioszillator erschweren die Aufgabe des Analysierens der Gasflüsse, aber der Erfinder hat befunden, dar die beschriebenen Entladungspfade tätsächlich im wesentlichen Fresnel-Frizeau-Vorbelastungen auslöschen.
• Figur 3 ist eine perspektivische Ansicht einer alternativen erfindungsgemäßen Ausführung eines symmetrischen Multioszillators. In dieser Figur sind Elemente des Multioszillators, die Elementen der Ausführungen von Figuren 1 und 2 entsprechen, mit gleichen Nummern bezeichnet. Folglich sind die Hohlräume des Multioszillators von Figur 3 so angeordnet, dar der Hohlraum 28 empfindlich für Drehung um die X-Achse 12, der Hohlraum 30 empfindlich für Drehung um die Y-Achse 14 und der Hohlraum 36 empfindlich für Drehung um die Z-Achse 16 ist. Die Kreuzungen der verschiedenen Hohlräume sind in der gleichen Weise nummeriert wie die in der Ausführung von Figur 1.
• Die veranschaulichte Ausführung benutzt einen Rahmen mit einer rhombischen Dodekaeder-Form. Solch ein Rahmen ist durch insgesamt zwölf (12) Oberflächen gekennzeichnet. Die zwölf Spiegel, die für die drei nicht-planaren Hohlräume 28, 30 und 36 erforderlich sind, sind an neun von den Rahmenoberflächen befestigt, von denen drei von einem Spiegel paar gemeinsam benutzt werden. Wie bei der vorigen Ausführung ist die Anordnung des Rahmens so, daß mehrere Spiegel an einer einzelnen Oberfläche befestigt sind, was den Spiegelschleifaufwand vermindert und die gemeinsame Nutzung eines einzelnen Spiegels durch mehrere geschlossene Laserhohlräume erlaubt.
• Anders als die vorige Ausführung verwendet der Multioszillator von Figur 3 keine Bypass-Rohre zum Erzeugen eines Flusses zwischen den Hohlräumen. Der Erfinder hat befunden, daß, wie aus dem Flußdiagramm von Figur 4 ersichtlich wird, alle zwischen den Hohlräumen zum Bereitstellen einer Vorbelastungslöschung innerhalb der Hohlräume erforderlichen Ströme, ohne die Notwendigkeit von zusätzlichen Durchgängen, in einem regelmäßigen dodekaederförmigen Rahmen erzielt werden können. Auch sind im Gegensatz zu der vorigen Ausführung die Hohlräume des Multioszillators so eingerichtet, dar die Faraday-Elemente 54, 56 und 58, wie in der folgenden Figur gezeigt, nicht an der Erzeugung der erforderlichen elektrischen Entladungspfade teilnehmen müssen.
• Während der Rahmen der vorangehenden Figur eine Form hat, die Abweichungen der absoluten Amessungen der Oberflächen und Hohlraumlängen erlaubt, sind die relativen Abmessungen der Oberflächen, und folglich der Winkel dazwischen, dieser Ausführung bevorzugt bestimmt und konstant. Die Winkel der Oberflächen beeinflussen direkt die Neigungen und Platzierungen der Hohlraumspiegel und bestimmen folglich die Stellen der internen Bohrungen, welche die Ringhohlräume bilden. Daher werden die resultierenden Formen, einschließlich der Längenverhältnisse, der drei geschlossenen Hohlräume tätsächlich durch die Form des Rahmens bestimmt.
• Änderungen der Abmessungen können nur Skalierungsabweichungen und keine Winkeländerungen in der Lichtpfadgeometrie erzeugen.
• Es wurde ermittelt, dar die vorhergehenden geometrischen Merkmale eines Multioszillators, der einen regelmäßigen dodekaederförmigen Rahmen beinhaltet, in einem Instrument resultieren, das durch einen relativ hohen Betrag an Reziprokspaltung gekennzeichnet ist. Es kann gezeigt werden, daß die Reziprokspaltung dieser Ausführung für sogenannte "perfekte" Spiegel, die rechtskreispolarisiertes Licht genau in linkskreispolarisiertes Licht und umgekehrt verändern, genau ein drittel des freien Spektralbereichs (f.s.r.) des Hohlraums ist. Solch ein relativ hoher Betrag an Reziprokspaltung in einem Rotationssensor kann kann gewisse Vorteile, einschließlich einem geringeren Grad an Konkurrenz der Wellentypen, bieten. Weiter erlaubt die größere Seitenzahl der Dodekaeder-Form einen etwas größeren Oberflächenbereich als die achtseitige Ausführung von Figuren 1 und 2. Folglich können die verschiedenen Ausführungen dieser Erfindung selektive Betriebseigenschaften bereitstellen.
• Die Reziprokspaltung der Dodekaeder-Konfiguration steht im Gegensatz zu der Oktaeder-Ausführung von Figur 1, die den gleichen Skalierungsüberlegungen unterliegt, die sich aber erweisen kann, Reziprokspaltung nahe einem vierzehntel des freien spektralen Bereichs zu erzeugen.
• Figur 4 ist eine perspektivische Ansicht der Dodekaeder-Ausführung der Erfindung, in der die Gasflüsse innerhalb der Hohlräume durch Pfeile angezeigt sind. Wie in Figur 2 ist der aus der Anode 20 austretende Fluß mit dunklerer Schattierung dargestellt als der aus Anode 22 austretende Fluß. Wie aus dieser Figur ersichtlich ist, wird die erwünschte Auslöschung der Nettoflüsse in jedem der Hohlräume 28, 30 und 36 erzielt, und somit ist, wie in der vorigen Ausführung, der dreiachsen-symmetrische Multioszillator von Figur 3 im wesentlichen unbeeinflußt von Fresnel-Frizeau-Vorbelastungen.
• Somit wird erkannt, daß die vorliegende Erfindung einen verbesserten Multioszillator-Kreisel bereitstellt. Durch Anwendung der Lehren der Erfindung kann man einen weiten Bereich an Genauigkeiten in Bezug auf drei orthogonale Achsen in einem einzelnen Block erzielen. Durch Einbau des Instruments in einen einzelnen Block werden die Effekte von Wärmeänderungen minimiert. Die Konstruktion des Instruments bietet eingebaute Kompensation für andernfalls schädliche Fresnel-Frizeau- Effekte, wodurch seine Genauigkeit und Standfestigkeit verbessert werden.
• Beide hierin beschriebenen Konfigurationen sind zugänglich für eine interne Elektrodenanordnung. Die ist besonders auf die Kathode anwendbar. Sputterprozesse, die auf der Kathodenoberfläche auftreten, können die Lebensdauer eines Kreisels erheblich verkürzen, und aus diesem Grund ist es nötig, eine relativ grobe elektrische Oberfläche für das Innere der Kathode bereitzustellen. Eine praktische externe Kathode kann den Kreisel somit viel größer machen und Packungsprobleme hervorrufen. Die Bohrungen in den Oktaeder- und Dodekaeder-Konfigurationen des Multioszillators liegen relativ dicht an den Blockoberflächen und so, daß die Mittelbereiche des Blocks ausgehöhlt werden können, um Bereiche mit groben Oberflächen zu erzeugen, die, wenn geeignet metallisiert, als Kathoden mit ausgezeichneten Lebensdauereigenschaften arbeiten können, ohne dem gesamten Dreiachsen-Sensor Volumen hinzuzufügen.

Claims (12)

1. Ringlaserkreisel zur Erfassung von Rotation um drei zueinander orthogonal stehende Achsen (12, 14, 16) mit einem Druck (10) , der eine Mehrzahl von planaren Flächen (46, 48, 50, 52) aufweist und mehr als einen geschlossenen nicht-planaren Laserhohlraum (28, 30, 36) enthält, von denen jeder vier geradlinige Segmente gleicher Länge umfaßt, mit reflektierenden Bereichen (38, 40, 42, 44, 72, 74) auf einigen der Flächen des Blocks zur Richtungslenkung von Licht in den Hohlräumen, dadurch gekennzeichnet, daß drei einander kreuzende Laserhohlräume (28, 30, 36) vorhanden sind und daß die Hohlräume (28, 30, 36) und die Flächen (46, 48, 50, 52) so angeordnet sind, daß wenigstens eine dieser Flächen eine Grundplatte für eine Mehrzahl der reflektierenden Bereiche bildet, um Licht innerhalb der zugeordneten Hohlräume gerichtet zu führen.

2. Ringlaserkreisel nach Anspruch 1, bei dem die reflektierenden Bereiche in dem einen oder für jeden Fall auf der zugeordneten Blockfläche beabstandet sind.

3. Ringlaserkreisel nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Geometrie so gewählt ist, daß die Hohlraumsegmente sich zwischen ihren jeweiligen Enden kreuzen.

4. Ringlaserkreisel nach Anspruch 1, 2 oder 3 mit einer einzigen Kathode und zwei Anoden.

5. Ringlaserkreisel nach einem der vorangehenden Ansprüche mit jeweils innerhalb der Laserhohlräume angeordneten Faraday- Elementen (54, 56, 58).

6. Ringlaserkreisel nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einem die Hohlräume verbindenden Bypass-Durchlaß (68, 70)

7. Ringlaserkreisel nach Anspruch 4 oder nach Anspruch 5 oder 6, soweit auf Anspruch 4 rückbezogen, bei dem die Anoden (20, 22) und die Kathode (18) mit den Hohlräumen in Verbindung stehen und bei dem die Anordnung der Uberkreuzungen und - soweit vorhanden - die Zwischenverbindung über den Bypass-Durchlaß so getroffen ist, daß die Fresnel-Frizeau-Effekte in jedem der Hohlräume eliminiert werden.

8. Ringlaserkreisel nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem jede von drei Flächen des Blocks zwei der reflektierenden Bereiche trägt.

9. Ringlaserkreisel nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem vier Flächen (46, 48, 50, 52) des Blocks auf einem regelmässigen Tetraeder liegen und die Grundplatten für die reflektierenden Bereiche bilden.

10. Ringlaserkreisel nach Anspruch 9, bei dem die reflektierenden Bereiche an jeder der vier Flächen zur Ausrichtung von Licht innerhalb eines jeden der Hohlräume angeordnet sind.

11. Ringlaserkreisel nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Flächen des Blocks einen Rhombendodekaeder bilden, wobei drei der Flächen jeweils als Unterlage für zwei reflektierende Bereiche dienen, um Licht innerhalb von zweien der Hohlräume auszurichten.

12. Ringlaserkreisel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem alle planaren Flächen (46, 48, 50, 52) in stumpfem Winkel zueinander stehen.