Brevet FR2553755A1 — publié le 19850426

Machine automatique de soudage -en bout de deux fibres optiques La présente invention concerne une machine automatique de soudage en bout de deux fibres optiques, comprenant une platine support d'une première fibres dite "de référence", une platine support d'une seconde fibre, dite "fibre mobile", munie de moyens de translation suivant deux directions horizontale et verticale dans un plan perpendiculaire aux axes des fibres, des moyens de translation motorisée de l'une des platines et mécanique de l'autre parallèlement aux axes des fibres, une source lumineuse éclairant les extrémités des fibres, des moyens de visualisation à fort grossissement pour observer les extrémités des fibres, des moyens de détection de position dans l'espace des extrémités de fibres, des moyens pour amener en contact bout à bout les extrémités des fibres, et des moyens pour souder ces extrémités à l'aide d'un arc électrique. On a déjà proposé dans le brevet US-A- 3960 531 une machine comprenant une première platine de support d'une première fibre optique, munie de moyens de translation parallèle à l'axe de la fibre, une seconde platine de support dune seconde fibre optique, munie de moyens de translation selon un axe vertical et un axe horizontal perpendiculaires à l'axe des fibres, d'un microscope pour observer les extrémités des fibres optiques pendant que l'on aligne leurs axes par déplacements manuels des platines, une cale mobile de repérage d'un plan de soudage, par butée sur cette cale de l'extrémité de lune des fibres, et deux électrodes de soudage des extrémités des fibres dans le plan de soudage. Une telle machine peut convenir pour le soudage en bout de fibres optiques lorsque l'on ne requiert pas une grande précision, dans le cas de fibres multimodes, dont le coeur a un diamètre de tordre de 100 microns. Elle ne convient plus lorsque l'on veut souder les extrémités des fibres avec une précision réduisant au minimum les pertes de lumière dues à la soudure, et ne peut en tout cas convenir pour le soudage de fibres monomodes, dont le coeur a un diamètre de tordre de quelques microns. On a aussi proposé dans RESEARCH DISCLOSURE, avril 1982, nO 21643 , une machine automatique de positionnement de fibres optiques, notamment en vue de leur soudage, suivant 3 axes orthogonaux, à l'aide d'une caméra de télévision commandant un microprocesseur. Une telle machine est cependant très eomplexe et coûteuse. La présente invention a pour but de procurer une machine automatique de soudage en bout des extrémités de fibres optiques, qui permette d'aligner avec une grande précision, de 11 ordre du 1/10 de micron, les axes des fibres, et également d'effectuer le soudage des extrémités des fibres sans apparitions de défauts dans la zone de soudage. Elle a encore pour but d'assurer un positionnement très rapide des fibres, sans nécessiter de dextérité de l'opérateur, et un contrôle précis du chauffage des extrémités des fibres pendant leur soudage, ainsi que la possibilité de reproduire à volonté divers cycles de soudage. La machine selon l'invention est caractérisée en ce que les moyens de détection comprennent un couple de photodétecteurs pour capter la position des fibres suivant une direction horizontale, un couple de photodétecteurs pour capter la position des fibres suivant une direction verticale, et en sortie de ces photodétecteurs des comparateurs électroniques pour comparer les indications des photodétecteurs de chaque couple, et en ce qu'elle comprend en outre des organes de commande pour corriger les positions de la fibre mobile suivant l'horizontale et suivant la verticale en fonction des indications de chaque couple de photodétecteurs. Elle répond en outre de préférence à au moins l'une des caractéristiques suivantes - Les moyens de détection des extrémités des fibres comprennent un système de grandissement optique de l'objet disposé de l'autre côté des fibres par rapport à des sources lumineuses, et des photodétecteurs disposés aux points images des fibres optiques au delà du dispositif de grandissement qui leur est commun. - Les comparateurs électroniques sont reliés aux organes de commande par l'intermédiaire d'un microprocesseur. - Les moyens pour amener en contact bout à bout les extrémités des fibres sont reliés à la platine-support de la fibre mobile. Pour permettre de vérifier que le chargement des fibres est correctement réalisé sur les platines supports, un afficheur à matrice de diodes électroluminescentes représentatives des tensions électriques enregistrées sur les capteurs photosensibles, permet de visualiser la position des fibres. Chaque diode représente une coordonnée de l'espace. La discrimination entre les fibres est réalisée en affectant un point lumineux fixe à la fibre référence et un point lumineux clignotant à la fibre dite asservie. L'alignement des fibres correspond à la superposition des points lumineux fixe et clignotant, en n'importe quel point de la matrice. - Les moyens pour amener en contact les extrémités des fibres sont constitués par un moteur pas-à-pas de haute résolution. - Elle comporte en outre des moyens pour faire reculer la fibre mobile de quelques dizièmes de micron une fois qu'elle est entrée en contact bout à bout avec la fibre fixe. - Les moyens pour faire reculer la fibre mobile sont commandés par une instruction stockée dans le microprocesseur. - La platine support de la fibre mobile est fixée à l'extrémité d'une barre de flexion munie en un lieu intermédiaire d'une bille en matériau très dur sur laquelle s'appliquent des cales à lames piézoélectriques précontraignant la barre de flexion, commandées par les indications des photodétecteurs et exerçant des pressions sur la bille dans les sens vertical et horizontal. - Les moyens pour souder les extrémités des fibres comprenant des électrodes de soudage à l'arc électrique en tungstène à revêtement de platine. - Elle comporte des moyens pour préchauffer les extrémités-des fibres, alignées mais encore écartées l'une de l'autre, de façon à polir les faces qui viendront en contact. Il est décrit ci-après, à titre d'exemple et en référence aux figures du dessin annexé, une machine automatique de soudage en bout de deux fibres optiques monomodes. La figure 1 représente schématiquement en perspective la machine, les platines supports des fibres, et les photodétecteurs et les organes de positionnement de la fibre mobile. La figure 2 représente schématiquement le dispositif de lecture optoélectronique de position des extrémités des fibres permettant ensuite d'amener l'axe de la fibre mobile dans le prolongement de celui de la fibre fixe. La figure 3 représente en perspective une barre de flexion munie à son extrémité avant de la platine support de la fibre mobile, avec une bille en matériau dur d'application des pressions piézoélectriques de réglage du positionnement de la fibre mobile. Dans la figure 1, la platine 1 forme support pour la fibre optique dite "fixe" 2, supportée par les deux tiges métalliques cylindriques adjacentes 3 et 4, serties dans des gorges de la platine. La platine 5 forme support pour la fibre optique dite "mobile" 6, supportée de la même manière par les deux tiges métalliques cylindriques 7 et 8, disposées dans des gorges de cette platine. Les fibres 2 et 6 sont immobilisées sur leurs platines à l'aide de pinces, non représentées. La face d'extrémité 9 de la fibre 2 est amenée par réglage de la position de la platine 1 à l'aide d'un barillet à molette filetée de réglage, non représenté, dans le plan des électrodes de soudage 10A, 10B. Celles-ci sont de préférence en tungstène thorié dont la surface est revêtue de platine, pour éviter leur corrosion. La face d'extrémité 11 de la fibre mobile est initialement décalée latéralement et en hauteur par rapport à celle de la fibre fixe, comme représenté par la flèche 11A, suite au chargement sans grande précision des fibres dans les pinces. La détection des positions de la fibre mobile 6 et de la fibre de référence 2 s'effectue à l'aide des deux capteurs optiques 12, 13 pour optimisée le réglage horizontal futur et de deux capteurs optiques 18, 19 pour optimisée le réglage vertical, comme il sera expliqué plus loin en référence à la figure 2. Les indications des capteurs optiques 12 et 13, recevant des faisceaux lumineux non représentés en figure 1, sont transformées en signaux électriques différentiels par le photo-récepteur 14. Ceux-ci sont comparés dans le comparateur 15, qui engendre un signal d'erreur, qui est transmis après amplification dans l'amplificateur 16 au microprocesseur 17. De la même manière, les indications des capteurs optiques 18 et 19 sont transformées par le photo-récepteur 20 en signaux électriques, qui sont comparés dans le comparateur 21. Ce dernier envoie un signal d'erreur au microprocesseur 17 par l'intermédiaire de l'amplificateur 22. Le microprocesseur 17 engendre sur la base des indications provenant des capteurs optiques des ordres de correction de la position de la platine 5, support de la fibre mobile 6. Un premier ordre de correction est envoyé à une organe moteur 23, qui déplace la platine dans un plan vertical, et un second ordre de correction à un organe moteur 24, qui déplace la platine dans un plan horizontal. Ces organes moteurs sont par exemple des lames piézoélectriques, dont le rôle sera décrit plus loin en référence à la figure 3. Le microprocesseur 17 commande en outre, une fois le position nement correct de la fibre mobile obtenu, une séquence d'approche de l'extrémité 11 de la fibre mobile 6 solidaire de la platine 5, jusqu'au contact de ltextrémité 9 de la fibre de référence 2. Les capteurs enregistrent alors le tout premier fléchissement des fibres dès leur contact, définissant le plan de joint des fibres, puis un faible retrait de la fibre mobile et la procédure de soudage à l'aide d'un organe moteur 25. La figure 2 représente schématiquement avec plus de précision comment s'effectue le réglage pour deux capteurs tels que 12 et 13. Les sources d'éclairage 30, 31 dirigent deux faisceaux, l'un 32 vers l'extrémité de la fibre de référence 2, l'autre 33 vers l'extrémité de la fibre mobile 5. Les faisceaux, sur lesquels une zone très proche des extrémités des fibres forme une ombre projetée, sont grandis par un même système de lentilles optiques 34 vers les points images de l'objet, où se trouvent les capteurs optiques 12 et 13. Chaque capteur est constitué de deux surfaces rectangulaires photosensibles adjacentes. La zone d'ombre définie par l'image de la fibre vient obscurcir partiellement chacune des deux surfaces, mettant en évidence l'inégalité de recouvrement des surface sensibles, traduisant cette coordonnée par des tensions électriques.Lorsque l'axe de la fibre mobile 6 n'est pas dans le même plan horizontal que celui de la fibre de référence 2, l'ombre de la fibre mobile se décale d'une même quantité sur les surfaces sensibles des capteurs. De la même manière, les deux autres capteurs 18 et 19 (figure 1) enregistrent le décalage vertical entre les deux fibres 2 et 6 et transmettent leur indication au microprocesseur 17. Celui-ci envoie alors des instructions de commande aux organes moteurs 23 et 24. Le réglage des positions de la fibre mobile 6 dans des plans horizontaux et verticaux passant par l'axe de la fibre de référence 2, (axes Ox et Oy de la figure 2), puis son déplacement jusqu'à la mise en contact des faces d'extrémité des-deux fibres (axe Oz) s'effectuent grâce à la barre de flexion 41 (figure 3), encastrée dans le bloc 48, et munie d'une bille sphérique d'application des efforts de réglage 42. La bille 42, en matériau dur tel que du rubis synthétique, est en contact avec deux couples de cales piézoélectriques, représentées schématiquement par les flèches 43, 44 et 45, 46. Les cales 43, 44 dans le plan équatorial de la bille 42, assurent le déplacement de la fibre mobile dans un plan horizontal, et les cales 45, 46 dans son plan méridien passant par l'axe de la barre de flexion, assurant son déplacement dans un plan vertical. Bien que ces déplacements ne soient pas rigoureusement des translations, on comprendra qu'ils peuvent leur être assimilés en pratique, étant donné la longueur du bras de levier. Ces déplacements -sont commandés par le microprocesseur 17. Le déplacement du bloc 48 sur des rails 36 à chemins de billes, entrainant celui de la platine 5 et de la fibre mobile 6 qu'elle supporte, est assuré par un micromoteur pas à pas de haute résolution, non représenté, dans les deux sens, représentés par les flèches 37, 38. Lorsque l'extrémité de la fibre mobile 6 vient en butée sur celle de la fibre de référence, la pression qu'elle exerce sur l'autre fibre extraine un certain déplacement latéral de ces extrémités suivantes les axes Ox et Oy. Ce déplacement latéral, enregistré par les capteurs optiques, est transmis au microprocesseur 17, qui mémorise le dernier pas d'avance avant flexion des fibres. Ce dernier envoie alors l'instruction d'un léger retrait (quelques dizièmes de micron) au micromoteur, puis déclenche le cycle de soudage des extrémités des fibres. Le cycle de soudage comporte une première opération de chauffage en-dessous du point de fusion du matériau des fibres optiques, pour arrondir les bords de leurs extrémités et éviter ainsi l'inclusion de bulles d'air à l'interface au cours du soudage proprement dit. Ce chauffage peut s'effectuer à l'aide d'un laser à anhydride carbonique. Ce préchauffage est suivi d'un bref arrêt, puis du soudage proprement dit, portant les extrémités des fibres au-dessus de leur température de fusion. Le cycle est également commandé par le microprocesseur. On pourrait aussi effectuer manuellement le soudage. Bien que la machine qui vient d'être décrite en référence aux figures du dessin paraisse la forme préférable de mise en oeuvre de l'invention, on comprendra que diverses modifications peuvent lui être apportées sans sortir du cadre de l'invention, certains de ses organes pouvant être remplacés par d'autres qui joueraient le même rôle technique. En particulier, les cales piézoélectriques de positionnement de la barre portant la platine support de la fibre optique mobile pourraient être remplacés par des micro-moteurs. REVENDICATIONS 1/ Machine automatique de soudage en bout de deux fibres optiques, comprenant une platine (1) support d'une première fibre (2) dite Nde référence", une platine (5) support d'une seconde fibre (6), dite "fibre mobile" munie de moyens de translation suivant deux directions horizontale et verticale dans un plan perpendiculaire aux axes des fibres, des moyens de translation motorisée de l'une des platines, et mécanique de llautre, parallèlement aux axes des fibres, des sources lumineuses (30, 31 figure 2) éclairant les extrémités (9, 11) des fibres, des moyens de visualisation à fort grossissement pour observer les extrémités des fibres, des moyens de détection de position dans l'espace des extrémités des fibres, des moyens pour amener en contact bout à bout les extrémités des fibres, et des moyens (10) pour souder ces extrémités à l'aide d'un arc électrique, caractérisée en ce que les moyens de détection comprennent un couple de photodétecteurs (12, 13) pour capter la position des fibres suivant une direction horizontale, un couple de photodétecteurs (18, 19) pour capter la position des fibres suivant une direction verticale, et en sortie de ces photodétecteurs des comparateurs électroniques (15, 21) pour comparer les indications des photodétecteurs de chaque couple, et en ce qu'elle comprend en outre des organes de commande (17, 23, 24) pour corriger les positions de la fibre mobile suivant l'horizontale et suivant la verticale en fonction des indications de chaque couple de photodétecteurs. 2/ Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de détection des extrémités des fibres comprennent un système de grandissement optique de l'objet (34, figure 2) disposé de l'autre côté des fibres par rapport à des sources lumineuses (30, 31) et des photodétecteurs (12, 13) disposés aux points images des fibres optiques au-delà du dispositif de grandissement optique qui leur est commun. 3/ Machine selon les revendications 5 ou 2, caractérisée en ce que les comparateurs électroniques sont reliés aux organes de commande par l'intermédiaire d'un microprocesseur (17). 4/ Machine selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée ne ce que les comparateurs actionnent des diodes électroluminescentes. 5/ Machine selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les moyens pour amener en contact bout à bout les extrémités des fibres sont reliés à la platine-support de la fibre mobile 6/ Machine selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les moyens pour amener en contact les extrémités des fibres sont constitués par un moteur pas-à-pas de haute résolution. 7/ Machine selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre des moyens pour faire reculer la fibre mobile de quelques dizièmes de micron une fois qu'elle est entrée en contact bout à bout avec la fibre fixe. 8/ Machine selon les revendications 3 et 7, caractérisée en ce que les moyens pour faire reculer la fibre mobile sont commandés par une instruction stockée dans le microprocesseur. 9/ Machine selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que la platine-support de la fibre mobile est fixée à l'extrémité d'une barre de flexion munie en un lieu intermédiaire d'une bille en matériau très dur sur laquelle s'appliquent des cales à lames piézoélectriques précontraignant la barre de flexion et commandées par les indications des photodétecteurs et exerçant des pressions sur la bille dans les sens vertical et horizontal. 10/ Machine selon l'une des revendications 1 à 92 caractérisée en ce que les moyens pour souder les extrémités des fibres comprennent des électrodes de soudage à l'arc électrique en tungstène à revêtement de platine. 11/ Machine selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens pour préchauffer les extrémités des fibres alignées mais encore écartées l'une de l'autre, de façon à polir les faces qui viendront en contact.