DE3422889A1

DE3422889A1 - Ringlaser-gyroskop

Info

Publication number: DE3422889A1
Application number: DE19843422889
Authority: DE
Inventors: Thomas Camarillo Calif. Council; Daryl C. Thousand Oaks Calif. Stjern; Thomas C. Canoga Park Calif. Wirt
Original assignee: Sundstrand Optical Technologies Inc
Current assignee: Sundstrand Optical Technologies Inc
Priority date: 1983-06-20
Filing date: 1984-06-20
Publication date: 1984-12-20
Also published as: IT8448410A0; BE899974A; GB8415751D0; SE8403264D0; FR2548357A1; GB2141868A; ZA844479B; SE8403264L; NO842455L; NL8401964A; AU2947684A; JPS6018981A

Description

Sundstrand Optical Technologies, Inc. Newbury Park, California 9132o, V.St.A.

Ringlaser-Gyroskop

Die Erfindung bezieht sich auf ein Ringlaser-Gyroskop, insbesondere ein äußerst genaues und kompakt gebautes Ringlaser-Gyroskop zum Einsatz in einem Bohrloch, z. B. in einer Ölbohrung.

Wegen des geringen Durchmessers von Ölbohrungen ist die Größe der darin verwendbaren Instrumente kritisch. Bekannte Ringlaser-Gyroskope eignen sich typischerweise nicht zum Ablassen in ein Bohrloch, und zwar weder für sich noch in einer Instrumentengruppe, weil entweder die Gyroskope zu sperrig sind oder das Gyroskop nicht ausreichend genau arbeitet.

Typische Ringlaser-Gyroskope weisen einen Hohlraum auf, der eine geschlossene Ringbahn bildet, durch die zwei gegensinnig umlaufende Laserstrahlen laufen. Bei bekannten Versuchen, die Gesamtgröße des Gyroskops zu vermindern, wurde die Bahnlänge des Hohlraums bis auf 6 cm verringert. Es wurde jedoch gefunden, daß die Genauigkeit des Gyroskops umso größer ist, je größer der von dem Hohlraum umschlossene Bereich und je länger somit die Bahnlänge ist. Eine Minimierung der Bahnlänge zum Zweck der Minimierung der Gesamtgröße des Gyroskops führt zu

einem Gyroskop - wie etwa dem 6-cm-Gyroskop -, das für die meisten Anwendungsfälle einschließlich des Einsatzes in einem Bohrloch zu ungenau ist.

Eines der Probleme, die die Genauigkeit eines Ringlaser-Gyroskops beeinträchtigen, ist das Phänomen des Mitziehens (lock-in) der beiden gegensinnig umlaufenden Laserstrahlen. Um ein Mitziehen zu vermeiden, wurden bereits verschiedene Zitterverfahren unter Verwendung äußerer Vorspannungsvorrichtungen angewandt. Mit bekannten Vorspannungsvorrichtungen kann zwar die Genauigkeit des Gyroskops verbessert werden, solche Vorrichtungen tragen jedoch erheblich zu größeren Gesamtabmessungen des Gyroskops bei. Gyroskope mit solchen Vorrichtungen sind daher typischerweise zu groß und sperrig, um in Bohrlöcher abgelassen zu werden.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Ringlaser-Gyroskops, mit dem die genannten Nachteile bekannter Ringlaser-Gyroskope überwunden werden und das sowohl außerordentlich genau als auch sehr kompakt gebaut ist, so daß es in einem Bohrloch, z. B. einem ölbohrloch, eingesetzt werden kann.

Das Ringlaser-Gyroskop nach der Erfindung zum Einsatz in einem Bohrloch weist einen Hauptteil auf, in dem ein vieleckiger Hohlraum ausgebildet ist, der eine geschlossene Ringbahn bildet, durch die zwei gegensinnig umlaufende Laserstrahlen laufen, wobei an jeder Ecke des Hohlraums ein Spiegel angeordnet ist, so daß die Laserstrahlen um die Bahn reflektiert werden. Der Gyroskop-Hauptteil hat Vieleckform, wobei zwei gegenüberliegende Seiten erheblich langer als die übrigen Seiten sind, welch letztere kurz sind, so daß ein langer, schmaler Körper gebildet ist, der in ein Bohrloch abgelassen werden kann. Jeder Spiegel ist an einer anderen kurzen Seite des Gyroskop-Hauptteils angeordnet, wobei die Anzahl kurzer Seiten des Hauptteils der Anzahl Spiegel entspricht, wodurch die Breite des Hauptteils kleingehalten wird. Der Hohlraum ist

im Hauptteil des Gyroskops relativ zu den Spiegeln so angeordnet, daß die Länge der durch den Hohlraum gebildeten geschlossenen Ringbahn für den schmalen Gyroskopkörper maximiert ist.

Ein Verfahren, das bereits zur Unterbindung des Mitziehens der beiden gegensinnig umlaufenden Laserstrahlen angewandt wurde, ist ein Spiegelzitterverfahren, wobei gemäß der Erfindung zwei der Spiegel des Gyroskops mit einer relativen Phasenverschiebung von 180° in Schwingungen versetzt werden. Die beiden schwingenden Spiegel können an aneinandergrenzenden kurzen Seiten des Gyroskop-Hauptteils angeordnet sein, wobei der Hohlraum im Hauptteil relativ zu den Spiegeln so angeordnet ist, daß die langen Seiten des Hohlraums zu den langen Seiten des Hauptteils parallel verlaufen. Alternativ können die beiden schwingenden Spiegel auch an gegenüberliegenden kurzen Seiten des Hauptteils angeordnet sein, wobei der Hohlraum in bezug auf den Hauptteil so versetzt angeordnet ist, daß die Bahnlänge maximiert und die Breite des Hauptteils des Gyroskops minimiert ist.

In vorteilhafter Weiterbildung umfaßt das Ringlaser-Gyroskop ferner eine Vorspannungsvorrichtung, die den Gyroskop-Hauptteil mit einer Zitterschwingung beaufschlagt, um ein Mitziehen der beiden gegensinnig umlaufenden Laserstrahlen zu verhindern. Die Vorspannungsvorrichtung umfaßt zwei Biegeschwingungseinheiten, die gegenüberliegenden Seiten des Hauptteils benachbart angeordnet sind, wobei jede Einheit zwischen dem Hauptteil und einer Halterung gekoppelt ist. Es sind Mittel vorgesehen, um die Biegeschwingungseinheiten mit einer relativen Phasenversetzung von 180 zu treiben, so daß der Gyroskop-Hauptteil um eine Eingangsachse mit Zitterschwingungen beaufschlagt wird. Jede Biegeschwingungseinheit ist außerordentlich schmal, so daß sie zur Gesamtbreite des Ringlaser-Gyroskops nur einen sehr geringen Teil beiträgt.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Perspektivansicht des Ringlaser-Gyroskops

nach der Erfindung zum Einsatz in einem Bohrloch;

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Hauptteil des Ringlaser-Gyroskops von Fig. 1;

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform des Hauptteils des Ringlaser-Gyroskops;

Fig. 4 eine Draufsicht von oben auf das Ringlaser-Gyroskop von Fig. 1, wobei die Vorspannungsvorrichtung gezeigt ist, die den Hauptteil des Gyroskops mit Zitterschwingungen beaufschlagt;

Fig. 5 eine Perspektivansicht eines Biegeschwingungsblatts der Vorspannungsvorrichtung von Fig. 4;

Fig. 6 einen Querschnitt durch das Ringlaser-Gyroskop in einem Gehäuse; und

Fig. 7 eine teilweise Endansicht des Ringlaser-Gyroskops in einem Gehäuse.

Das Ringlaser-Gyroskop für den Bohrloch-Einsatz gemäß den Fig. 1 und 2 umfaßt einen Hauptteil 10, der z. B. aus Quarz besteht, in dem ein vieleckiger Hohlraum 12 vorhanden ist, der eine geschlossene Ringbahn bildet. Der Hohlraum enthält ein Gas bzw. Gase, die sich für den Laserbetrieb eignen, z. B. 90 % Helium und 10 % Neon mit einem Druck von 3 Torr. Zwischen einer Katode 14 und zwei Anoden 16 und 18, die sämtlich mit dem Hohlraum 12 in Verbindung stehen, findet eine Gasentladung statt, so daß zwei gegensinnig umlaufende Laserstrahlen erzeugt werden. Die Laserstrahlen werden durch Spiegel 20, 22, 24 und 26, die an den Hohlraumecken positioniert sind, um die geschlossene Ringbahn reflektiert. Wenn das Gyroskop um eine zur Z-Achse parallele Eingangsachse gedreht wird, wird die effektive Bahnlänge für den einen Strahl vergrößert, während die effektive Bahnlänge für den anderen Strahl vermindert wird, was auf die Doppler-Verschiebung zurückzuführen ist. Eine der Rotationsgeschwindigkeit proportionale Schwebungsfrequenz wird aufgrund der Überlagerung der beiden Laserstrahlen, z. B. mit Hilfe eines dem Spiegel 24 zugeordneten Prismas, erzeugt. Die

Schwebungsfrequenz erzeugt ein Interferenzmuster, das von einer Doppel-Fotodiode 28 erfaßt wird, die das Ausgangssignal des Gyroskops liefert.

Der Hauptteil 10 des Ringlaser-Gyroskops ist sehr schmal und kompakt ausgeführt, so daß es in einer Ölbohrung entweder für sich oder in einer Instrumentengruppe eingesetzt werden kann. Die Breite des Hauptteils entlang der X-Achse beträgt ca. 25,4 mm. Der Hauptteil ist jedoch erheblich langer als breit. Die Länge entlang der Y-Achse beträgt ca. 12,7 cm, so daß darin ein Hohlraum mit einer Bahnlänge von 25,4 cm vorgesehen ist. Es sind zwar Hohlräume mit kleineren Bahnlängen bekannt, es wurde jedoch gefunden, daß die Genauigkeit des Gyroskops umso größer ist, je größer der von dem Hohlraum umschlossene Raum und damit je langer die Bahnlänge ist.

Zur Minimierung der Breite des Hauptteils des Gyroskops unter gleichzeitiger Maximierung der Länge der vom Hohlraum gebildeten geschlossenen Ringbahn ist der Hauptteil 10 des Gyroskops vieleckig mit zwei nichtbenachbarten bzw. zueinander entgegengesetzten Seiten 30 und 32, die wesentlich langer als die übrigen Seiten 34-40 sind, die jeweils einen der Spiegel tragen; dabei sind die übrigen Seiten kurz, so daß ein langer schmaler Körper gebildet ist. Ferner ist die Anzahl der kurzen Seiten 34-40 des Hauptteils gleich der Anzahl der erforderlichen Spiegel, wodurch die Gesamtbreite des Gyroskops minimiert wird.

Der Hohlraum 12 hat lange, schmale Vieleckform mit zwei Kanälen oder Verstärkungsröhren 42 und 44, die länger als die übrigen Verstärkungsröhren 46 und 48 sind. Dabei sind die längeren Verstärkungsröhren den längeren Seiten 30 und 32 des Hauptteils benachbart angeordnet, und die kürzeren Verstärkungsröhren 46 und 48 schneiden die längeren Verstärkungsröhren 42, 44 an den Spiegeln. Der Hohlraum 12 ist in dem Hauptteil des Gyroskops relativ zu den Spiegeln so positioniert, daß die Länge der durch den Hohlraum gebildeten geschlossenen Ringbahn maximiert

ist. Der Hohlraum ist zwar, wie gezeigt, innerhalb eines unregelmäßigen hexagonalen Hauptteils viereckig, er könnte jedoch verschiedene andere Vieleckformen haben. Z. B. könnte ein Hohlraum, der ein langes, schmales Dreieck bildet, innerhalb eines unregelmäßigen Fünfeckhauptteils vorgesehen sein.

Um ein Mitziehen der beiden gegensinnig umlaufenden Laserstrahlen zu verhindern, arbeitet das Ringlaser-Gyroskop für den Bohrlocheinsatz sowohl mit einem Zittern des Hauptteils, wie noch im einzelnen erläutert wird, als auch mit einem Spiegelzittern, wobei jeder Spiegel 20 und 22 periodisch in einer Richtung senkrecht zu seiner Spiegelfläche in Schwingungen versetzt wird. Die Spiegel 20 und 22 sind Membranspiegel, die mit einer Phasenverschiebung von 180 angesteuert werden, so daß die Bahnlänge des Hohlraums gleichbleibend gehalten wird. Jeder Spiegel 20 und 22 weist einen Bahnlängen-Steuertreiber bzw. 47 auf, der auf das Ausgangssignal einer einzelnen Fotodiode 49 anspricht, die dem Spiegel 26 zugeordnet ist. Die Fotodiode 49 überwacht die Intensität der Laserstrahlen und erzeugt ein Gleichspannungs-Ausgangssignal für die Zitterspiegel, so daß die Laserstrahlen im Zentrum ihrer Schwingung gehalten werden. Einzelheiten der beiden Zitterspiegel und eine Steuerschaltung zur Unterhaltung ihrer 180 -Phasenbeziehung sind in der eigenen OS-Patentanmeldung Serial-Nr. 462 548 angegeben.

Bei einer Ausführungsform des Ringlaser-Gyroskops für den Bohrlocheinsatz (vgl. Fig. 2) sind die Membranspiegel 20 und an aneinandergrenzenden kurzen Seiten 34 und 36 des Hauptteils 10 angeordnet. Der Hohlraum 12 ist im Hauptteil so angeordnet, daß die längeren Verstärkungsröhren 42 und 44 parallel zu den langen Seiten 30, 32 verlaufen. Diese Konfiguration resultiert in einem Gyroskop, das für die meisten Anwendungszwecke hinreichend schmal ist.

Um jedoch die Breite des Gyroskops weiter zu verringern und gleichzeitig die Membranspiegel 20 und 22, die größer als die übrigen Spiegel sind, unterzubringen, kann das Ringlaser-Gyroskop entsprechend Fig. 3 modifiziert werden. Dort sind die Membranspiegel 20' und 22' an entgegengesetzten kurzen Seiten 34' und 38' des Hauptteils 10" angeordnet, und der Hohlraum 12" ist im Hauptteil so versetzt, daß die Laserstrahlen den Mittenabschnitt der Spiegel schneiden. Die Seiten 34' und 38' sind ausreichend lang, um die großen Membranspiegel 20' und 22" aufzunehmen, während die Seiten 36' und 40' kürzer als die Seiten 34' und 38' ausgebildet sind, um die Breite des Gyroskops kleinzuhalten. Die kleineren Spiegel 24' und 26" sind an den Seiten 36' und 40' näher an den jeweils angrenzenden langen Seiten 32' und 30' des Hauptteils angeordnet, um dadurch die Bahnlänge des Hohlraums 12' zu maximieren. Die relative Anordnung der Spiegel und des versetzten Hohlraums ist ein weiteres wesentliches Merkmal, durch das die Gesamtbreite des Ringlaser-Gyroskops minimiert werden kann, während gleichzeitig die Länge der durch den Hohlraum gebildeten geschlossenen Ringbahn so groß wie möglich gemacht wird.

Zusätzlich zu der Spiegelschwingung wird der Hauptteil 10 des Ringlaser-Gyroskops von einer Vorspannungsvorrichtung mit Schwingungen bzw. einem Zittern beaufschlagt. Die Vorspannungsvorrichtung läßt den Hauptteil des Gyroskops in einer Rotations-Schwingungsart um eine Eingangsachse des Gyroskops schwingen, um dadurch ein Mitziehen der Laserstrahlen zu verhindern; die Vorspannungsvorrichtung ist im einzelnen in den Fig. 1 und 4-7 gezeigt. Sie ist extrem schmal und trägt somit nur sehr geringfügig zur Gesamtbreite des Gyroskops bei. Sie umfaßt zwei Biegeschwingungseinheiten 50 und 52, die den langen Seiten 30 und 32 des Hauptteils des Gyroskops benachbart angeordnet sind. Die Biegeschwingungseinheiten 50 und 52 sind mit dem Hauptteil über zwei Befestigungsblöcke 62 bzw. 64 verbunden. Die Befestigungsblöcke 62 und 64 bestehen aus Quarz und sind mit dem Haukptteil 10 auf entgegengesetzten Seiten

einer mittigen Eingangsachse 65 des Gyroskops mittels Epoxidharz verbunden. Durch die Anordnung der Katode 14, der Anoden 16 und 18_f der Getterplatte 19 und der Befestigungsblöcke 62 und 64 auf derselben Oberfläche 67 des Gyroskops kann die Gesamthöhe des Ringlaser-Gyroskops ebenso wie seine Breite minimiert werden, so daß der erhaltene Aufbau äußerst kompakt ist.

Die Biegeschwingungseinheit 50 umfaßt zwei Biegeschwingungsblätter 54 und 56, die z. B. aus INVAR (Wz) (= Nickelstahl) oder Berylliumkupfer bestehen, also Werkstoffen, die hochfest und ausreichend steif sind, so daß die einzige dem Gyroskop erteilte Bewegung die erwünschte Zitterbewegung ist. Die Biegeschwingungsblätter 54 und 56 sind an ihren jeweiligen äußeren Enden 58 bzw. 60 an einer Halterung 61 (vgl. die Fig. 6 und 7) für das Gyroskop und an ihren inneren Enden mit dem Hauptteil des Gyroskops über die jeweiligen Befestigungsblöcke 62 und 64 gesichert. Ebenso umfaßt die Biegeschwingungseinheit 52 zwei Biegeschwingungsblätter 66 und 68 aus INVAR od. dgl., die an ihren jeweiligen äußeren Enden 70 und 72 an der Halterung 61 und an ihren inneren Enden an den jeweiligen Befestigungsblöcken 62 und 64 gesichert sind.

Wie noch im einzelnen erläutert wird, werden die Biegeschwingungsblätter 54 und 56 ebenso wie die Biegeschwingungsblätter 66 und 68 mit einer gegenseitigen Phasenversetzung von 180 angetrieben. Dieser Antrieb resultiert in einer den Befestigungsblock 62 beaufschlagenden Druck-Zug-Kraft, die zu der den Befestigungsblock 64 beaufschlagenden Druck-Zug-Kraft um 180° phasenversetzt ist. Die um 180 phasenverschobenen Druck-Zug-Kräfte, die die Befestigungsblöcke 62 und 64 beaufschlagen, bewirken, daß der Hauptteil des Gyroskops in einer Rotationsschwingungsart um die mittige Eingangsachse 65 schwingt.

Die Biegeschwingungsblätter 54, 56, 66 und 68 sind gleich aufgebaut, so daß nur das Biegeschwingungsblatt 56 unter Bezugnahme auf Fig. 5 näher erläutert wird. Das Biegeschwin-

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gungsblatt 56 weist an seinem äußeren Ende 60 einen nach außen verlaufenden Flansch 74 auf. Der Flansch ist mit zwei Löchern 75 ausgebildet, durch die Schrauben 76 (Fig. 7) verlaufen, die das Biegeschwingungsblatt 56 an der Halterung 61 sichern. Ein Abschnitt 78 des Biegeschwingungsblatts an dessen äußerem Ende verläuft nach innen zum Hauptteil des Gyroskops und begrenzt den Bewegungsweg des Hauptteils des Gyroskops bei Beaufschlagung mit Vibrationen. Ein Gummidruckstück 80 ist an dem Abschnitt 78 befestigt, das Stöße absorbiert bzw. mechanische Spannungen zwischen dem Hauptteil des Gyroskops und dem Biegeschwingungsblatt an dessen äußerem Ende vermindert, die bei Vibrationen des Hauptteils 10 resultieren können.

Das Biegeschwingungsblatt 56 weist an seinem inneren Ende 84 einen Flansch 90 auf, der sich nach innen zum Hauptteil des Gyroskops erstreckt und an dem Befesetigungsblock 64 anliegt. Das innere Ende des Biegeschwingungsblatts 56 ist an dem Befestigungsblock 64 mit drei Schrauben 96 gesichert, die entsprechende Löcher 98 im Flansch 90 durchsetzen und in entsprechende Gewindelöcher 102 des Befestigungsblocks 64 geführt sind. Das Biegeschwingungsblatt 68 weist an seinem inneren Ende ebenfalls einen Flansch 104 auf, der ebenso wie der Flansch 90 des Biegeschwingungsblatts 56 ausgebildet ist. Der Flansch 104 ist am Befestigungsblock 64 mit drei Schrauben 106 gesichert, die entsprechende Löcher 108 im Flansch 104 durchsetzen und in die Gewindelöcher 102 im Befestigungsblock 64 eintreten, wobei die Schrauben 106 in die Löcher 102 entgegengesetzt zu den Schrauben 96 eintreten. Es ist zu beachten, daß drei Schrauben anstelle der sechs Schrauben 96 und 106 verwendet werden können, die dann entsprechende Löcher in einem Flansch und im Befestigungsblock 64 durchsetzen und in entsprechende Gewindelöcher im anderen Flansch eintreten. Mit solchen Einzelschrauben wäre es möglich, die Befestigungsblöcke mit einer Kompressionskraft zu beaufschlagen, so daß die Eingangsachse stabil gehalten wird.

Die Befestigungsblöcke 62 und 64 bestehen aus Quarz und haben jeweils Sechseckquerschnitt. Jeder Plansch der Biegeschwingungsblätter, z. B. der Flansch 90, weist eine V-förmige Vertiefung auf, die mit der jeweiligen nach außen verlaufenden V-förmigen Seite eines Befestigungsblocks in Eingriff gelangt. Durch die V-Konfiguration der Seiten der Befestigungsblöcke, die mit den Flanschen der Biegeschwingungseinheiten in Eingriff gelangen, minimieren die Befestigungsblöcke 62 und 64 alle durch die Montage der Biegeschwingungseinheiten auftretenden Kräfte, die auf den Hauptteil 10 des Gyroskops übertragen werden könnten. Die Quarz-Befestigungsblöcke 62 und 64 ermöglichen es dadurch, daß die Biegeschwingungseinheiten an dem Hauptteil des Gyroskops befestigbar sind, ohne daß das Gyroskop verzogen oder mit mechanischen Spannungen beaufschlagt wird.

An ihren inneren Enden 84 sind die Biegeschwingungsblätter mit einem im wesentlichen U-förmigen Abschnitt 114 versehen, wie für das Biegeschwingungsblatt 56 in Fig. 5 gezeigt ist. Die U-förmigen Abschnitte 114 der Biegeschwingungsblätter 54 und verlaufen zwischen zwei Gummi-Beilegscheiben 116 und 118 in Schlitze, die in entgegengesetzten Seiten eines Dämpfungselements 120 ausgebildet sind. Das Dämpfungselement 120 ist angrenzend an die Seite 30 des Hauptteils 10 des Gyroskops mittig festgelegt. Ebenso verlaufen die U-förmigen Abschnitte 114 der Biegeschwingungsblätter 66 und 68 zwischen zwei Gummi-Beilegscheiben 122 und 124 in entsprechende Schlitze auf entgegengesetzten Seiten eines Dämpfungselements 126. Das Dämpfungselement 126 ist angrenzend an die Seite 32 des Hauptteils des Gyroskops unmittelbar gegenüber dem Dämpfungselement 120 mittig festgelegt.

Ein Gummidruckstück 128 ist zwischen dem Dämpfungselement 120 und dem Quarzhauptteil 10 des Gyroskops angeordnet, um mechanische Spannungen zwischen beiden zu beseitigen. Ein Gummidruckstück 130 ist ebenso zwischen dem Dämpfungselement 126 und dem Hauptteil 10 angeordnet. Die Gummidruckstücke 12b, 130 und

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der Hauptteil 10 des Gyroskops sind durch Schrauben 134 und 135, die mittig angeordnete Gewindelöcher in den Dämpfungselementen 120 bzw. 126 durchsetzen, mit einer Vorspannung beaufschlagt. Die Dämpfungselemente 120 und 126 eliminieren im wesentlichen eine Bewegungsübertragung in X-Richtung_f die durch Stöße hervorgerufen wird, die in der Größenordnung von 1000 g liegen.

Die Dämpfungselemente 120, 126 sind gemäß Fig. 6 an der Halterung 61 für das Ringlaser-Gyroskop gesichert. Die Dämpfungselemente 120 und 126 weisen jeweils nach außen vorspringende Flansche 140 und 142 auf, in denen zwei Gewindelöcher und 148 ausgebildet sind, durch die entsprechende Paare von Schrauben 147, 149 geführt sind. Die Schrauben verlaufen weiter in Gewindelöcher in der Halterung 61. Die Dämpfungselemente sind zwar an der Halterung fest montiert; wenn jedoch die Biegeschwingungsblätter angetrieben sind, werden die inneren Enden 84 der Blätter dazu gebracht, sich in den Dämpfungselement-Schlitzen in bezug auf den Hauptteil des Gyroskops hin und her zu bewegen, wodurch der Hauptteil mit der Zitterbewegung beaufschlagt wird.

Zum Antreiben der Biegeschwingungsblätter ist auf entgegengesetzten Seiten jedes Blatts jeweils ein piezoelektrischer Wandler angeordnet. Die Wandler sprechen auf eine Ansteuerspannung an, die als Sinuswelle od. dgl. vorliegen kann, so daß dem Hauptteil des Gyroskops die erwünschte Zitterbewegung erteilt wird. Wenn die piezoelektrischen Wandler sämtlich mit Spannung derselben Polarität angesteuert werden, sind die Wandler an den Biegeschwingungsblättern mit verschiedenen Kristallachsenrichtungen angeordnet. Z. B. hat der an der Außenfläche des Biegeschwingungsblatts 54 angeordnete Wandler 150 eine erste Kristallachsenrichtung, so daß sich bei Beaufschlagung mit einer positiven Spannung der Wandler ausdehnt. Der an der Innenfläche des Biegeschwingungsblatts 54 angeordnete Wandler 152 hat dann eine zweite Kristallachsenrichtung, so daß beim Anlegen einer positiven Spannung der Wandler sich

ebenfalls ausdehnt. Eine solche Kristallachsenrichtung resultiert darin, daß das Biegeschwingungsblatt 54 bei Beaufschlagung mit einer Spannung positiver Polarität gegen den Befestigungsblock 62 drückt und daß das Blatt von dem Befestigungsblock bei Beaufschlagung mit einer Spannung negativer Polarität weggezogen wird.

Bei Annahme der vorstehend angegebenen Kristallachsenrichtung der dem Biegeschwingungsblatt 54 zugeordneten piezoelektrischen Wandler weisen die übrigen Wandler die folgenden Kristallachsenrichtungen auf. Die den Biegeschwingungsblättern 56 und 66 zugeordneten äußeren Wandler 154 und 156 weisen die zweite Kristallachsenrichtung auf, während die an den Innenflächen der Biegeschwingungsblätter 56 und 66 angeordneten Wandler 158 und 160 die erste Kristallachsenrichtung haben. Der äußere Wandler 162 des Biegeschwingungsblatts 68 hat die erste Kristallachsenrichtung, wogegen der an der Innenfläche des Biegeschwingungsblatts 68 angeordnete Wandler 164 die zweite Kristallachsenrichtung hat. Im allgemeinen weisen der innere und der äußere piezoelektrische Wandler, die einem Biegeschwingungsblatt zugeordnet sind, die gleiche Kristallachsenrichtung wie der innere und der äußere Wandler auf, die dem Biegeschwingungsblatt zugeordnet sind, das relativ zu dem einen Biegeschwingungsblatt auf einer Diagonale liegt, und weisen die entgegengesetzte Kristallachsenrichtung des inneren und des äußeren Wandlers auf, die dem Biegeschwingungsblatt zugeordnet sind, das dem einen Biegeschwingungsblatt über das Gyroskop direkt gegenüberliegt. Es ist zu beachten, daß anstelle der abwechselnd aufeinanderfolgenden Kristallachsenrichtung der Wandler auf jedem Biegeschwingungsblatt die Wandler zwar gleiche Kristallachsenrichtung aufweisen, jedoch durch Spannungen entgegengesetzter Polarität angesteuert werden können, so daß die erwünschte Zitterbewegung erzeugt wird.

Das Ringlaser-Gyroskop ist in einem Gehäuse enthalten, das eine Abdeckung 170 und die die Basis bildende Halterung 61 umfaßt. Die Abdeckung 170 ist an der Halterung mittels Bolzen 172 oder Schrauben gesichert. Die Halterung 61 hat einen ebenen Boden, was die Montage des Gyroskops in einer Instrumentengruppe od. dgl. vereinfaöht.

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Claims

BEETZ & PARTNER .-*: :*: : :**: "Patepiaciwälte Steinsdorfstr. 10 ■ D-8000 München 22 European-Patent Attorneys 3 422889 Telefon (089) 227201 - 227244 - 295910 Dipl.-lng. R. BEETZ sen. loUix 5?ΪΟ48 - loUjfjramm Allpat''' Münchon q . ρ BEETZ jun Priv.-Doz. Dipl.-Chem. Dr. rer. nat. W.SCHMITT-FUMIAI Dipl.-lng. K. LAMPRECHT 11981 2o. Juni 1984 Ansprüche

1. Ringlaser-Gyroskop zur Messung der Rotation um eine Eingangsachse, mit einem Hauptteil, in dem ein vieleckiger Hohlraum ausgebildet ist, der eine geschlossene Ringbahn bildet, durch die zwei gegensinnig umlaufende Laserstrahlen laufen, wobei an jeder Ecke des Hohlraums ein Spiegel angeordnet ist und die Spiegel die Laserstrahlen um die Bahn reflektieren, dadurch gekennzeichnet, daß der Gyroskop-Hauptteil (10) Vieleckform hat, wobei zwei entgegengesetzte Seiten (30, 32) erheblich länger als die übrigen Seiten (34, 36, 38, 40) sind, welch letztere kurz sind, so daß ein langer, schmaler Hauptteil gebildet ist, und daß jeder Spiegel (20, 22, 24, 26) an einer anderen der kurzen Seiten (34-40) und der Hohlraum (12) in dem Hauptteil (10) relativ zu den Spiegeln (20-26) so angeordnet ist, daß die Länge der durch den Hohlraum (12) gebildeten geschlossenen Ringbahn für den schmalen Gyroskop-Körper maximiert ist.

2. Ringlaser-Gyroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Anzahl der kurzen Seiten des Hauptteils (10) gleich der Anzahl Spiegel ist.

572-BO1665-Schö

3. Ringlaser-Gyroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Breite des Gyroskops weniger als 5,08 cm und die Länge der geschlossenen Ringbahn wenigstens 25,4 cm beträgt.

4. Ringlaser-Gyroskop nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

Elemente (45, 47, 49), die zwei (20, 22) der Spiegel mit einer relativen Phasenverschiebung von 180° in Schwingungen versetzen.

5. Ringlaser-Gyroskop nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

angrenzend an jede lange Seite (30, 32) des Hauptteils (10) angeordnete Einheiten (50, 52), die den Hauptteil um eine Eingangsachse (65) des Gyroskops mit einer Zitterschwingung beaufschlagen.

6. Ringlaser-Gyroskop zum Messen der Rotation um eine Eingangsachse, mit einem Hauptteil, in dem ein viereckiger Hohlraum ausgebildet ist, der eine geschlossene Ringbahn begrenzt, durch die zwei gegensinnig umlaufende Laserstrahlen laufen, und mit vier Spiegeln, die jeweils an einer Ecke des Hohlraums angeordnet sind und die Laserstrahlen um die Bahn reflektieren, dadurch gekennzeichnet, daß der Gyroskop-Hauptteil Sechseckform aufweist, wobei zwei entgegengesetzte Seiten (30, 32) langer als die übrigen Seiten (34-40) sind, welch letztere kurz sind, so daß ein langer, schmaler Hauptteil (10) gebildet ist, und daß jeder Spiegel (22, 24, 26, 28) an einer anderen kurzen Seite (34-40) des Hauptteils (10) und der Hohlraum (12) im Hauptteil relativ zu den Spiegeln so angeordnet ist, daß die Länge der durch den Hohlraum (12) gebildeten geschlossenen Ringbahn für den schmalen Gyroskop-Körper maxirniert ist.

7. Ringlaser-Gyroskop nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch

eine Vorrichtung (45, 47, 49), die zwei (20, 22) der Spiegel mit einer relativen Phasenverschiebung von 180 in Schwingungen versetzt, wobei die beiden schwingenden Spiegel an aneinandergrenzenden kurzen Seiten (34, 36) des Hauptteils (10) angeordnet sind und der Hohlraum (12) im Hauptteil (10) so angeordnet ist, daß zwei Seiten des Hohlraums (12) parallel zu den beiden langen Seiten (30, 32) des Hauptteils verlaufen.

8. Ringlaser-Gyroskop nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch

eine Vorrichtung (45¹, 47', 49¹), die zwei (20¹, 22') der Spiegel mit einer relativen Phasenverschiebung von 180 in Schwingungen versetzt, wobei die schwingenden Spiegel (20¹, 22') an entgegengesetzten kurzen Seiten (34¹, 38') des Hauptteils (10¹) angeordnet sind und der Hohlraum (12¹) in dem Hauptteil (10¹) des Gyroskops versetzt ist.

9. Ringlaser-Gyroskop nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch

eine Vorrichtung (45, 47, 49), die zwei (20, 22) Spiegel mit einer relativen Phasenverschiebung von 180 in Schwingungen versetzt, und

zwei angrenzend an die beiden langen Seiten (30, 32) des Hauptteils angeordnete Einheiten (50, 52), die den Hauptteil (10) mit einer Zitterbewegung um eine Gyroskop-Eingangsachse (65) beaufschlagen.

10. Ringlaser-Gyroskop zum Messen der Drehgeschwindigkeit um eine Eingangsachse, mit einem Hauptteil, in dem ein Vieleck-Hohlraum ausgebildet ist, der eine geschlossene Ringbahn bildet, auf der zwei gegensinnig umlaufende Laserstrahlen laufen, mit einem Spiegel an jeder Ecke des Hohlraums, wobei die Spiegel die Laserstrahlen um die Bahn reflektieren, und mit einer Halterung für den Gyroskop-Hauptteil,

dadurch gekennzeichnet, daß der Gyroskop-Hauptteil (10) vieleckig ist, wobei zwei entgegengesetzte Seiten (30, 32) langer als die übrigen Seiten (34-40) sind, welch letztere kurz sind, so daß ein langer, schmaler Hauptteil gebildet ist, wobei jeder Spiegel (20-26) jeweils an einer anderen kurzen Seite des Hauptteils angeordnet ist; und

daß angrenzend an jede lange Seite (30, 32) des Hauptteils (10) eine Vorspannungsvorrichtung angeordnet ist, die den Hauptteil mit einer Zitterbewegung um eine Eingangsachse (65) beaufschlagt, wodurch ein Mitziehen der Laserstrahlen unterbunden wird.

11. Ringlaser-Gyroskop nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,

daß die Vorspannungsvorrichtung umfaßt:

eine erste Biegeschwingungseinheit (50), die zwischen den Gyroskop-Hauptteil (10) und die Halterung (61) gekoppelt und angrenzend an die eine lange Seite (30) des Hauptteils (10) angeordnet ist;

eine zweite Biegeschwingungseinheit (52), die zwischen den Gyroskop-Hauptteil (10) und die Halterung (61) gekoppelt und angrenzend an die andere lange Seite (32) des Hauptteils angeordnet ist; und

Elemente, die jede Biegeschwingungseinheit (50, 52) mit einer relativen Phasenverschiebung von 180 antreiben, so daß der Gyroskop-Hauptteil (10) mit einer Zitterbewegung um seine Eingangsachse (65) beaufschlagt wird.

12. Ringlaser-Gyroskop nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch

zwei Befestigungsblöcke (62, 64), die auf einer Oberfläche des Hauptteils auf entgegengesetzten Seiten der Eingangsachse (65) gesichert sind, wodurch jede Biegeschwingungseinheit (50, 52) mit dem Hauptteil verbunden ist.

13. Ringlaser-Gyroskop nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,

daß jeder Befestigungsblock (62, 64) V-förmige Seiten aufweist, die nach außen zu jeder Biegeschwingungseinheit (50, 52) verlaufen, und daß jede Biegeschwingungseinheit einen Teil mit einer V-förmigen Vertiefung zum Eintritt in die nach außen verlaufenden V-förmigen Seiten der Befestigungsblöcke (62, 64) aufweist.

14. Ringlaser-Gyroskop nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,

daß der Gyroskop-Hauptteil (10) und die beiden Befestigungsblöcke (62, 64) aus Quarz bestehen, und daß die Befestigungsblöcke (62, 64) mit einem Epoxidkleber mit dem Hauptteil (10) verbunden sind.

15. Ringlaser-Gyroskop nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,

daß das Gyroskop ferner eine Katode (14) und zwei Anoden (16, 18) aufweist, deren jede mit dem Hohlraum (12) in Verbindung steht, wobei die Katode (14), die Anoden (16, 18) und die Befestigungsblöcke (62, 64) auf derselben Oberfläche des Hauptteils (10) angeordnet sind unter Minimierung von Höhe und Breite des Gyroskops.

16. Ringlaser-Gyroskop zum Messen einer Rotationsgeschwindigkeit um eine Eingangsachse, mit einem vieleckigen Hauptteil, in dem ein Hohlraum ausgebildet ist, der eine geschlossene Ringbahn bildet, durch die zwei gegensinnig umlaufende Laserstrahlen laufen, wobei eine Halterung für den Gyroskop-Hauptteil sowie eine Vorspannungsvorrichtung, die ein Mitziehen der Laserstrahlen unterbindet, vorgesehen sind, gekennzeichnet durch zwei Biegeschwingungseinheiten (50, 52), die jeweils angrenzend an entgegengesetzte Seiten des Gyroskop-Hauptteils angeordnet sind und jeweils zwei Biegeschwingungsblätter (54, 56 und 66,

68) aufweisen, wobei ein äußeres Ende (ζ. Β. 60) jedes Blatts an der Halterung (61) des Gyroskops und ein inneres Ende (z. B. 84) mit dem Gyroskop-Hauptteil verbunden ist; und Elemente (150-164), die die Biegeschwingungsblätter der beiden Biegeschwingungseinheiten (50, 52) mit derselben Frequenz treiben, wobei die Biegeschwingungsblätter (54, 56 und 66, 68) jedes Paars mit einer relativen Phasenverschiebung von 180° getrieben werden und die beiden Biegeschwingungsblätter (54, 56) der ersten Einheit (50) relativ zu den beiden Biegeschwingungsblättern (66, 68) der zweiten Einheit (52) mit einer relativen Phasenverschiebung von 180 getrieben werden, wodurch der Gyroskop-Hauptteil (10) mit einer Zitterschwingung beaufschlagt wird.

17. Ringlaser-Gyroskop nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch

zwei Befestigungsblöcke (62, 64), die auf einer Oberfläche des Gyroskop-Hauptteils (10) auf entgegengesetzten Seiten einer Gyroskop-Eingangsachse (65) gesichert sind, so daß die inneren Enden der Biegeschwingungsblätter (54, 56, 66, 68) mit dem Hauptteil (10) gekoppelt sind.

18. Ringlaser-Gyroskop nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet,

daß die Biegeschwingungsblätter (54, 56, 66, 68) der beiden Biegeschwingungseinheiten (50, 52) jeden Befestigungsblock (62, 64) mit einer Druck-Zug-Kraft beaufschlagen, wobei die den ersten Befestigungsblock (62) beaufschlagende Kraft relativ zu der den zweiten Befestigungsblock (64) beaufschlagenden Kraft um 180° phasenverschoben ist, so daß der Gyroskop-Hauptteil (10) in einer Rotations-Schwingungsart um die Gyroskop-Eingangsachse (65) schwingt.

19. Ringlaser-Gyroskop nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet,

daß jeweils ein Biegeschwingungsblatt der ersten und der zweiten Biegeschwingungseinheit (50, 52) an entgegengesetzten Seiten des ersten Befestigungsblocks (62) und die anderen Biegeschwingungsblätter der beiden Biegeschwingungseinheiten an entgegengesetzten Seiten des zweiten Befestigungsblocks (64) anliegen.

20. Ringlaser-Gyroskop nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet,

daß die Befestigungsblöcke (62, 64) so ausgelegt sind, daß sie bei Anlage der Biegeschwingungsblätter an ihnen mit einer Kompressionskraft beaufschlagt sind, wodurch die Stabilität der Eingangsachse aufrechterhalten wird.

21. Ringlaser-Gyroskop nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet,

daß die mit den Biegeschwingungsblättern in Anlage gelangenden Seiten der Befestigungsblöcke (62, 64) in Form eines nach außen verlaufenden V ausgebildet sind, und daß die Biegeschwingungsblätter an ihren inneren Enden einen Teil mit einer V-förmigen Vertiefung zum Eingriff mit den V-förmigen Seiten der Befestigungsblöcke (62, 64) aufweisen.

22. Ringlaser-Gyroskop nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet,

daß der Gyroskop-Hauptteil (10) und die Befestigungsblöcke (62, 64) aus Quarz bestehen.

23. Ringlaser-Gyroskop nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet,

daß das Gyroskop ferner eine Katode (14) und zwei Anoden (16, 18) aufweist, die jeweils mit dem Hohlraum (12) in Verbindung stehen, wobei die Katode (14), die Anoden (16, 18) und die

Befestigungsblöcke (62, 64) auf derselben Oberfläche des Gyroskops angeordnet sind unter Minimierung von Höhe und Breite des Gyroskops.

24. Ringlaser-Gyroskop nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet,

daß jede Biegeschwingungseinheit (50, 52) ein Dämpfungselement (120, 126) aufweist, das an den inneren Enden der Biegeschwingungsblätter anliegt, wobei die Dämpfungselemente (120, 126) einander direkt gegenüber entlang einer Achse angeordnet sind, die zu der Achse, um die das Gyroskop vibriert, senkrecht steht, und wobei die Dämpfungselemente (120, 126) den Gyroskop-Hauptteil (10) so vorspannen, daß eine Bewegungsübertragung des Hauptteils in Richtung der Achse, auf der die Dämpfungselemente (120, 126) liegen, unterbunden ist.

25. Ringlaser-Gyroskop nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet,

daß jedes Dämpfungselement (120, 126) an der Halterung (61) des Gyroskops gesichert ist und die Dämpfungselemente (120, 126) die Biegeschwingungsblätter (54, 56, 66, 68) so kontaktieren, daß eine Hin- und Herbewegung derselben relativ zum Gyroskop-Hauptteil (10) möglich ist.

26. Ringlaser-Gyroskop nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet,

daß die Treibervorrichtung jeweils einen piezoelektrischen Wandler (150-164) umfaßt, die auf entgegengesetzten Seiten jedes Biegeschwingungsblatts (54, 56, 66, 68) angeordnet sind.