Brevet FR2710990A1 — publié le 19950414

l,a présente invention concerne les dispositifs de transmission de l'énergie produite par des générateurs lasers ou analogues, et plus particulièrement ceux qui comportent des moyens de sécurité. II cxiste déjà des dispositifs qui permettent de transmettre l'énergie lumineuse produite par un générateur laser vers un endroit qui peut être un point d'usinage, par exemple de soudure, de découpe ou analogue, ou de traitement de toute nature et dans tous les domaines. Ces dispositifs sont généralement constitués d'un guide d'onde alumineuse, par exemple une fibre optique dont une extrémité est couplée à la sortie du générateur laser et dont l'autre extrémité est généralement associée à un élément optique, par exemple une lentille de focalisation pour concentrer ou focaliser en un point donné l'énergie obtenue en sortie de la fibre de façon à obtenir la fonction souhaitée, par exemple l'usinage d'une pièce. Ces dispositifs fonctionnent très bien et donnent entière satisfaction pour effectuer, notamment, des opérations d'usinage en différents points car il est bien évident qu'il est plus facile de déplacer une extrémité d'une fibre qu'un générateur laser en entier ou bien l'objet à usiner par rapport au point de fo Cependant, ces fibres optiques transmettent des énergies considérables de plus en plus importantes au fur et à mesure de l'évolution des techniques dans le domaine des lasers. Il arrive par ailleurs que, lors d'un déplacement de la fibre avec un manque de précautions, ou bien si cette fibre est soumise à des courbures de façon répétitive et sensiblement toujours aux mêmes endroits, des micro-coupures ou micro-failles puissent se produire sur ou dans la fibre. Dans ces cas, le transport de l'énergie dans la fibre est perturbé et une partie de l'énergie transportée peut même émerger accidentellement de la fibre en dehors de sa face de sortie. Si l'émission du générateur laser n'est pas arrêtée à temps et si l'utilisation de la fibre n'est pas stoppéc, non seulement la fibre risque d'être complètement détruite mais, surtout, des corps se trouvant dans le proche environnement de cette fenêtre d'émission accidentelle peuvent être endommagés. II peut notamment se pt-oduire dc très graves accidents sur les personnes qui se trouvent aux alentours de cette fibre. I > our pallier cet inconvénient, on a réalisé des dispositifs de transmission dc l'énergie lumineuse produite par des générateurs lasers, comportant des moyens de sécurité. Les moyens de sécurité qui on été mis au point sont essentiellemeiit de deux types. Ceux d'un premier type comportent un élément fusible et conducteur électrique, par exemple un fil, qui suit la fibre sur toute sa longueur et qui est alimenté par une source de courant. Cette source est de plus conçue pour détecter une interruption du courant électrique dans le fil qui peut être interprétée comme produite par la rupture du fusible, notamment sous l'action de la chaleur dégagée par l'énergie lumineuse s'échappant accidentellement de la fibre comme décrit ci-avant. Lorsque l'interruption du courant est détectée, une alarme est déclenchée et/ou l'émission du générateur laser est arrêtée pour éviter les inconvénients mentionnés ci-avant. Ceux d'un second type comportent des moyens pour mesurer la différence entre la quantité d'énergie entrant dans la fibre et celle qui en sort, la variation de cette différence permettant de conclure que la fibre présente une anomalie de transmission et qu'il y a donc un risque sérieux d'émissions lumineuses accidentelles comme décrit ci-avant. l'on r la mise en oeuvre de cette seconde technique, les moyens de sécurité comportent par exemple des séparateurs pour dériver une partie proportionnelle de I'énergie entrant dans la fibre et sortant de la fibre, la comparaison de ces deux parties d'énergie proportionnelles permettant de déduire, comme explicité ci-dessus, s'il y a ou non, entre l'entrée et la sortie de la fibre, une fuite accidentelle de l'énergie lumineuse transportée. Les moyens de sécurité connus à ce jour peuvent comporter d'autres éléments que ceux mentionnés ci-dessus mais, quel qu'il soit, leur mode de réalisation nécessite une intervention soit sur l'émission lumineuse du générateur laser soit sur la fibre elle-même, ce qui peut entraîner une diminution de l'énergie utilisable en sortie de la fibre et, à coup sûr, un coût de revient relativement important pour les dispositifs comportant ces moyens de sécurité. La présente invention a ainsi pour but de réaliser un dispositif de transmission d'énergie lumineuse de forte intensité comme celle émise par un générateur laser, comportant des moyens de sécurité, notamment du second type défini ci-avant, dont la structure n'entraîne pas les inconvénients exposés ci-dessus. Plus précisément, la présente invention a pour objet un dispositif de transmission d'un faisceau d'énergie lumineuse comme celui émis par un générateur laser, vers un point d'usinage ou analogue, comportant: une fibre optique définie entre une face d'entrée et une face de sortie, des moyens pour coupler la sortie du générateur laser avec la face d'entrée de ladite fibre, des moyens pour coupler la face de sortie de ladite fibre avec ledit point d'usinage, des premiers moyens pour élaborer un premier signal proportionnel à la valeur de l'énergie entrant dans ladite fibre, des seconds moyens pour élaborer un deuxième signal proportionnel à la valeur de l'énergie sortant de ladite fibre, et des moyens pour comparer la valeur desdits premier et deuxième signaux et délivrer un troisième signal représentatif du résultat de la comparaison, caractérisé par le fait que lesdits premiers et seconds moyens pour élaborer le premier et le second signal sont respectivement constitués par des premier et second capteurs pour capter l'énergie dérivée respectivement par la face d'entrée et par la face de sortie de ladite fibre. I)'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaitront au cours de la description suivante donnée en regard des dessins annexés à titre illustratif mais nullement limitatif dans lesquels: La figure 1 représente le schéma de principe d'un mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention, et la figure 2 représente une vue en perspective d'un mode de réalisation d'un capteur entrant dans la composition du dispositif selon la figure 1. l,a figure 1 représente une forme schématique d'un mode de réalisation d'un dispositif, selon l'invention, de transmission d'un faisceau 1 d'énergie de type lumineuse ou analogue, comme celui émis par un générateur laser 2, vers un point d'usinage 3 ou analogue. I.e dispositif comporte une fibre optique 4 définie entre une face d'entrée 5 et une face de sortie 6. La fibre optique 4 est en matériau qui est adapté à la longueur d'onde du faisceau lumineux 1 qu'elle doit conduire. Par exemple, pour un faisceau émis par un générateur laser YAG qui a une longueur d'onde 1,()( tjm, la fibre est du type à deux couches concentriques 7, 8 silice-silice. Ce type de fibre est connu en lui-même et ne sera pas plus amplement décrit ici dans le seul but de simplifier la présente description. Ie dispositif comporte en outre des moyens 10 pour coupler la sortie 11 du générateur laser avec la face d'entrée 5 de la fibre optique. Ces moyens de couplage peuvent être de toute sorte, par exemple un système optique afocal. ans certains cas, la sortie 11 du générateur laser peut même être couplée directement à l'entrée 5 de la fibre optique en positionnant la fibre de façon que sa face d'entrée reçoie directement le faisceau émis par le générateur laser sans élément optique intermédiaire. le dispositif comporte de même des moyens 12 pour coupler la face de sortie 6 de la fibre 4 avec le point d'usinage 3. En général, ces moyens 12 sont constitués par un système optique focalisateur comme une lentille ou un miroir convergent, ou analogue, pour concentrer sur le point d'usinage 3 I'énergie lumineuse obtenue en sortie 6 de la fibre. Le dispositif comporte en outre des premiers moyens 15 pour élaborer, à leur sortie 70, un premier signal proportionnel à la valeur de l'énergie lumineuse entrant dans la fibre par sa face d'entrée 5 et des seconds moyens 17 pour élaborer, à leur sortie 71, un deuxième signal proportionnel à la valeur de l'énergie lumineuse émergeant de la fibre 4 par sa face de sortie 6. Ces premiers et seconds moyens d'élaboration de signaux proportionnels à la valeur de I'énergie lumineuse entrant dans la fibre et sortant de la fibre sont respectivement constitués par un premier capteur 16 et un second capteur 18 pour capter l'énergie lumineuse 19, 20 qui est dérivée respectivement par les faces d'entrée 5 et de sortie 6 de la fibre 4. II est entendu que, par "énergie lumineuse dérivée" on entend toute lumière qui ne suit pas l'axe optique du système optique réalisé et que cette expression recouvre toute énergie lumineuse générée par des phénomènes physiques comme la diffraction et la diffusion, ce dernier phénomène étant préférentiellement utilisé. Le dispositif comporte en outre des moyens 25 pour comparer la valeur des premier et deuxième signaux respectivement obtenus aux sorties 70 ct 71 et pour délivrer, sur leur sortie 26, un troisième signal représentatif du résultat de la comparaison. Ces moyens de comparaison de signaux 25 comportent par exemple deux détecteurs de courant électrique 27, 28 et un comparateur par différence 48 qui délivre le troisième signal sur sa sortie 26. Ces moyens de comparaison 25 peuvent comporter en outre des moyens pour comparer la valeur du troisième signal à une valeur de seuil prédéterminée, par exemple expérimentalement. Dans ce cas, lorsque la différence entre les premier et deuxième signaux dépasse la valeur de seuil, une alarme peut être déclenchée ct/ou l'émission du générateur laser arrêtée. Ces moyens bien connus en euxmêmes ne seront pas plus amplement décrits ici. Dans un mode de réalisation préférentiel, les capteurs 16, 18 sont c onstitués chacun par une pièce 30 en un matériau piézo-électrique et deux électrodes 31, 32 respectivement disposées sur deux faces opposées de la pièce 30, le matériau piézo-électrique induisant un courant électrique quand il est soumis à une variation de chaleur. De plus, la pièce 30 en matériau piézoélectrique affecte la forme d'un anneau avantageusement de révolution dont l'orifice central a une section légèrement supérieure à celle du faisceau 1. Les électrodes 31, 32 sont, dans le mode de réalisation illustré, respectivement disposées sur les deux faces planes de l'anneau, chacune affectant avantageusement la forme d'un anneau de diamètres extérieur et intérieur sensiblement identiques à ceux de la pièce 30 et épousant parfaitement au moins une partie de la face 33, 34 de la pièce annulaire 30 sur laquelle elle est disposez. I)ans un autre mode de réalisation possible, les électrodes peuvent être disposées sur les parois intérieure et extérieure de l'anneau et ont alors, évidemment, des diamètres leur permettant d'épouser parfaitement au moins une partie de ces deux parois. Avec une configuration telle que décrite ci-dessus, les capteurs annulaires sont disposés de façon que leur axe de révolution soit sensiblement confondu avec l'axe optique 40 du faisceau lumineux 1 et à proximité des faces d'entrée 5 et de sortie G de la fibre 4 pour que chaque capteur reçoive le maximum de lumière dérivée, c'est-à-dire diffusée et/ou diffractée, par les faces 5 et 6 de la fibre 4, et en aucune façon la lumière réfléchie sur ces deux faces. Ia pièce piézo-électrique 30 est par exemple réalisée dans une céramique comme un mélange de zirconate et de titanate. En revanche, les deux électrodes 3 1, 32, plaquées par tous moyens sur la pièce 30, sont réalisées en un matériau métallique, par exemple à base d'argent ou analogue, et ont une épaisseur sensiblement égale à I 10 micromètres ou avantageusement moins. le dispositif décrit ci-dessus fonctionne de la façon suivante: quand le générateur laser 2 émet le faisceau lumineux 1, ce dernier éclaire la face d'entrée 5 de la fibre optique 4 sensiblement perpendiculairement. Comme, malgré tout le soin apporté à sa réalisation, cette face d'entrée ne peut jamais être un dioptre parfait, une partie 19 du faisceau nt pmètre pas dans la fibre mais est diffusée par cette face et tombe sur le capteur 1( qui délivre à sa sortie 7û un signal représentatif de l'énergie lumineuse qu'il reçoit, c'est-à-dire le premier signal défini ci-avant proportionnel à la quantité d'énergie lumineuse véhiculée par le faisceau 1. Ce premier signal est analysé dans le détecteur de courant 27 qui délivre à sa sortie un premier signal de mesure représentatif de la valeur de ce premier signal proportionnel. II en est de même pour la face de sortie 6 de la fibre qui dérive par diffusion une partie ZO du faisceau émergent 1. Cette partie 20 tombe sur le capteur 18 qui délivre à sa sortie 71 un signal représentatif de l'énergie lumineuse qu'il reçoit, c'est-à-dire le second signal défini ci-avant rroportic,nnel à la quantité d'énergie lumineuse du faisceau qui émerge de cette face 6. Ce second signal est appliqué à l'entrée du détecteur 28 qui délivre à sa sortie un second signal de mesure représentatif de la valeur du second signal proportionnel. I.es deux signaux de mesure définis ci-dessus sont appliqués à l'entrée du comparateur 48 qui délivre à sa sortie 26 un signal représentatif du résultat de la comparaison, et même un signal d'alarme quand la différence entre les deux signaux de mesure dépasse un seuil prédéterminé. En effet, le fait que la différence entre les deux signaux de mesure dépasse un certain seuil, peut s'interpréter comme la conséquence d'une perte d'énergie du faisceau lumineux entre les faces d'entrée 5 et de sortie 6 de la fibre optique. II est dont fortement probable que la fibre se trouve dans une situation comme celle qui a été décrite ci-avant, c'est-à-dire détériorée. Dans ce cas, il est préférable d'utiliser le signal d'alarme pour, par exemple, éteindre le générateur laser et éviter ainsi un accident qui peut être grave. I e dispositif peut comporter, en plus, des moyens de sécurité comme ceux du premier type décrit dans le préambule de la présente description. Ces moyens comportent une gaine 50 entourant la fibre 4, et un fil 5l électriquement conducteur mais fusible sous l'action de la chaleur comme un fil en alliage de chrome, nickel, fer et parfois aluminium, par exemple en un matériau commercialisé sous la marque "Nichrome". le fil est disposé entre la fibre et la gaine en longeant la fibre 4 sensiblement rectilignement ou en l'entourant dans un mouvement sensiblement hélicoïdal. Le fil est réuni par ses deux extrémités à une source de courant 52, ou de tension, apte en outre à détecter tout arrêt intempestif du passage du courant électrique dans le fil et à délivrer à sa sortie 53 un signal d'alarme. R E V E N D I C A 'I I O N S 1. Dispositif de transmission d'un faisceau d'énergie lumineuse (1) comme celui émis par un générateur laser (2), vers un point d'usinage (3) ou analogue, comportant: une fibre optique (4) définie entre une face d'entrée (5) et une face de sortie (6), des moyens (10) pour coupler la sortie (11) du générateur laser (2) avec la face d'entrée (5) de ladite fibre (4), des moyens (12) pour coupler la face de sortie (6) de ladite fibre (4) avec ledit point d'usinage (3), des premiers moyens (15) pour élaborer un premier signal proportiollllel à la valeur de I'énergie lumineuse entrant dans ladite fibre, des seconds moyens (17) pour élaborer un deuxième signal proportionnel à la valeur de I'énergie lumineuse sortant de ladite fibre (4), et des moyens (25) pour comparer la valeur desdits premier et deuxième signaux et délivrer un troisième signal représentatif du résultat de la comparaison, caractérisé par le fait que lesdits premiers et seconds moyens pour élaborer le premier et le second signal sont respectivement constitués par des premier (16) et second (18) capteurs pour capter l'énergie lumineuse dérivée respectivement par la face d'entrée (5) et par la face de sortie (6) de ladite fibre (4). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que chaque capteur (16, 18) est constitué par une pièce (30) en matériau piézoélectrique et deux électrodes (31, 32) disposées sur deux faces opposées de ladite pièce en matériau piézo-électrique. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que ladite pièce (3()) en matériau piézo-électrique affecte la forme d'un anneau. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que, ledit anneau étant de révolution et présentant une orifice central d'une section sensiblement supérieure à celle dudit faisceau d'énergie lumineuse (1), chaque anneau est situé sur ledit faisceau lumineux de façon que son axe de révolution soit sensiblement confondu avec l'axe optique (40) dudit faisceau lumineux. 5. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé par le ait que ladite pièce (3()) en matériau piézo-électrique est réalisée dans une céramique. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que ladite céramique est un mélange de zirconate et de titanate. 7. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé par le fait que lesdites électrodes (31, 32) sont réalisées en un matériau métallique. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé par le fait que lesdites électrodes (31, 32) sont réalisées en un matériau à base d'argent et ont une épaisseur sensiblement égale à dix micromètres. 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que I'énergie lumineuse dérivée (19, 20) respectivement par la face d'entrée (5) et par la face de sortie (6) de ladite fibre est l'énergie lumineuse diffusée et/ou diffractée sur ces deux dites faces. 10. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre une gaine (50) entourant ladite fibre (4) et un fil fusible (51), ledit fil étant disposé entre ladite fibre et ladite gaine en longeant sensiblement ladite fibre.