Brevet FR2767727A1 — publié le 19990305

DISPOSITIF ET PROCEDE POUR FIXER DES ELEMENTS OPTIQUES PAR SOUDAGE SANS CONTACT ARRIERE-PLAN DE L'INVENTION Domaine de l'invention La présente invention concerne la fixation d'éléments optiques tels qu'un guide d'onde optique, un collimateur optique, un atténuateur optique, un isolateur optique, etc, et, en particulier, un dispositif et un procédé pour fixer les éléments optiques par soudage sans contact. Description de la technique concernée II existe plusieurs procédés connus pour souder des dispositifs électroniques et des éléments optiques. Un premier procédé consiste à chauffer une partie devant être fixée au moyen d'un fer électrique puis à délivrer ensuite du plomb. Un deuxième procédé consiste à disposer un élément chauffant par induction à haute fréquence autour des éléments optiques et à appliquer une chaleur constante à la partie devant être fixée par chauffage à haute fréquence. Un troisième procédé consiste à effectuer le soudage en utilisant une source de lumière de laser comme source de chaleur, qui est disponible là où le fer électrique ne peut pas être utilisé du fait de la forte densité de disposition ou bien lorsqu'il y a une production en masse à cause des nombreuses parties devant être fixées, comme montré, par exemple, dans le Brevet US N" 4 963 714 de Joseph R. Adamski et al., intitulé Diode Laser Soldering System. Enfin, un quatrième procédé, qui est disponible dans les cas où il y a de nombreuses parties différentes à fixer, consiste à appliquer de la chaleur aux parties devant être fixées en changeant un trajet de lumière à l'aide d'un prisme. Ici, le plomb utilisé dans les premier et deuxième procédés se trouve sous la forme d'un fil. Cependant, les troisième et quatrième procédés utilisent de la poudre de plomb enduisant les parties devant être fixées. Les processus de soudage selon les procédés connus sont fréquemment appliqués à des dispositifs électroniques. Toutefois, pour appliquer un tel processus de soudage à des dispositifs optiques, on devra considérer ce qui suit: (1) un contact éventuel durant l'application de la chaleur aux parties de fixation peut affecter l'alignement des éléments optiques; (2) des parties de fixation des éléments optiques devraient être maintenues symétriques afin d'empêcher un mauvais alignement des éléments optiques dû à une dilatation thermique; (3) la chaleur devrait être appliquée uniformément aux parties de fixation symétriques afin d'empêcher un mauvais alignement des éléments optiques; (4) les parties de fixation devrait être complètement remplies de plomb afin d'assurer la fiabilité des éléments optiques ; et (5) la reproductibilité et la production en masse des éléments optiques devraient être garanties. Mon examen des points faibles en relation avec les procédés de soudage respectifs mentionnés ci-dessus, basé sur les considérations précédentes, montre que ni le premier ni le deuxième procédé de soudage ne satisfont à l'ensemble des cinq points précédents considérés. En ce qui concerne le troisième procédé de soudage, bien qu'il satisfasse à la symétrie des éléments optiques disposés dans un plan, il ne satisfait pas aux considérations précédentes en ce qui concerne la symétrie dans l'espace à trois dimensions. En ce qui concerne le quatrième procédé de soudage, bien qu'il rende possible la connexion des parties désirées, il ne peut pas assurer la symétrie. En bref, bien qu'ils soient très utiles pour les dispositifs électroniques, les procédés de soudage classiques ne sont pas appropriés pour des éléments optiques, du fait du problème de mauvais alignement. Autrement dit, durant l'application de chaleur aux parties de fixation, si le plomb vient en contact avec la surface des parties de fixation, les éléments optiques peuvent être mal alignés. De plus, le faisceau de laser appliqué aux parties de fixation des éléments optiques ne peut être maintenu symétrique, ce qui provoque le mauvais alignement des éléments optiques dû à la dilatation thermique et à la distribution non uniforme de chaleur. En résultat, les propriétés des éléments optiques sont altérées, ce qui diminue par conséquent la fiabilité des produits. De plus, la reproductibilité et la production en masse des éléments optiques sont également abaissées. RESUME DE L'INVENTION Par conséquent, un objet de la présente invention est de procurer un dispositif et un procédé pour fixer des éléments optiques par soudage sans contact, dans lesquels l'intérieur des parties de fixation des éléments optiques est scellé de façon complètement étanche afin d'empêcher l'humidité de pénétrer dans les éléments optiques. Un autre objet de la présente invention est de procurer un dispositif et un procédé pour fixer des éléments optiques par soudage sans contact, susceptibles de minimiser les variations de propriétés des éléments optiques. Pour atteindre les objets précédents, un dispositif pour fixer des éléments optiques selon la présente invention comprend : une paire d'éléments optiques comportant des systèmes optiques à l'intérieur de ceux-ci et qui sont entourés par des boîtiers; un dispositif d'alignement qui fixe une extrémité de chaque élément optique et aligne les systèmes optiques des éléments optiques; des sources de lumière de laser disposées respectivement à des extrémités prédéterminées des boîtiers pour projeter un faisceau de laser, sans que le faisceau ne soit focalisé sur la surface extérieure des boîtiers; des unités de délivrance de plomb disposées respectivement aux extrémités supérieures des sources de lumière de laser pour délivrer le plomb sur le faisceau de laser; et une commande logique programmable (Programmable Logic Control ou PLC) qui commande automatiquement les sources de lumière de laser et les unités de délivrance de plomb. Pour atteindre les objets précédents, un procédé pour fixer des éléments optiques selon la présente invention comprend les étapes suivantes: la fixation d'une paire d'éléments optiques à un dispositif d'alignement pour aligner les systèmes optiques des éléments optiques; la projection de faisceaux de laser à partir de plusieurs sources de lumière de laser sans que les faisceaux ne doivent venir en contact avec les sections transversales de parties de fixation des éléments optiques qui sont disposées entre les boîtiers des éléments optiques; après un temps prédéterminé, la délivrance de plomb à partir d'unités de délivrance de plomb sur les faisceaux de laser; la liquéfaction du plomb par les faisceaux de laser de telle sorte que le plomb s'écoule dans des espaces formés dans les sections de fixation entre les boîtiers; après un temps prédéterminé, l'interruption d'une force d'actionnement des unités de délivrance de plomb sous la commande automatique d'une commande logique programmable; et, après un temps prédéterminé, I'interruption des faisceaux de laser sous la commande de la commande logique programmable. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS Une appréciation plus complète de la présente invention et de beaucoup des avantages concomitants à celle-ci apparaîtra de façon évidente lorsque celle-ci sera mieux comprise en se référant à la description détaillée qui suit, considérée en relation avec les dessins joints, dans lesquels des symboles de référence identiques indiquent des composants similaires ou identiques, dans lesquels La figure i est une vue schématique représentant une construction d'un dispositif pour fixer des éléments optiques par un processus de soudage sans contact selon une réalisation préférée de la présente invention la figure 2 est une vue en plan représentant une position du faisceau de laser et une position de délivrance de plomb dans un dispositif pour fixer des éléments optiques par un processus de soudage sans contact selon une réalisation préférée de la présente invention; la figure 3 est une vue en plan représentant l'état de l'intérieur des parties de fixation rempli de plomb, de façon à être par conséquent fixé dans un processus de soudage sans contact selon une réalisation préférée de la présente invention la figure 4 est un graphique représentant la variation des propriétés optiques d'éléments optiques par rapport au temps de délivrance de plomb durant la fixation d'éléments optiques dans un processus de soudage sans contact selon une réalisation préférée de la présente invention la figure 5 est un graphique représentant les changements de température d'une partie de fixation durant une fixation dans un soudage sans contact selon une réalisation préférée de la présente invention ; et la figure 6 est un graphique représentant la vitesse de délivrance de plomb durant la fixation dans un processus de soudage sans contact selon une réalisation préférée de la présente invention. DESCRIPTION DETAILLEE DE LA REALISATION PREFEREE Si l'on se réfère aux figures 1 et 2, le dispositif pour fixer des éléments optiques selon une réalisation préférée de la présente invention comprend des éléments optiques 26 et 28 avec différents systèmes optiques incorporés, un dispositif d'alignement 22 et 24 pour les éléments optiques, des sources de lumière de laser utilisables en continu 10a et 10b, des unités de délivrance de plomb 14a et 14b, et du plomb 16a et 16b. De plus, un boîtier 30 pour protéger le système optique de l'environnement ambiant est disposé à la circonférence extérieure de l'élément optique 26. De même, un boîtier 32 est disposé à la circonférence extérieure de l'élément optique 28. Des trous traversants 34 sont formés symétriquement sur les deux côtés du boîtier 32, et le plomb 16a et 16b pour fixer les boîtiers 30 et 32 s'écoule dans les trous traversants 34, tandis qu'une extrémité de l'élément optique 26 est fixée au dispositif d'alignement 22 et une extrémité de l'élément optique 28 est fixée au dispositif d'alignement 24. Les sources de lumière de laser utilisables en continu 10a et 10b sont disposées des deux côtés des éléments optiques 26 et 28 avec un espacement prédéterminé. Les sources de lumière de laser lOa et 10b projettent les fais ceaux de laser 12a et 12b, respectivement, sans que les foyers des faisceaux de laser 12a et 12b ne doivent venir en contact avec la surface extérieure du boîtier 32, afin d'appliquer de la chaleur à une partie de fixation 40 (voir figures 2 et 3 pour plus de détails sur la partie de fixation 40) et de liquéfier (faire fondre) le plomb 16a et 16b, de façon à fixer par conséquent les éléments optiques 26 et 28. Le diamètre des foyers des faisceaux 12a et 12b qui sont projetés depuis les sources de lumière de laser 10a et lOb est compris entre environ 0,5 mm et 3 mm, et la puissance électrique du faisceau qui rayonne depuis les sources de lumière de laser lOa et 10b est comprise entre environ 15 W et 40 W. Les unités de délivrance de plomb 14a et 14b, délivrant du plomb 16a et 16b qui se trouve sous la forme de fil, sont disposées à l'extrémité supérieure de chaque source de lumière de laser 10a et 10b. Les unités de délivrance de plomb 14a et 14b délivrent du plomb 16a et 16b sur les faisceaux de laser 12a et 12b. Autrement dit, les unités de délivrance de plomb 14a et 14b délivrent du plomb 16a et 16b sur les faisceaux 12a et 12b de telle sorte que le plomb ne vienne en contact avec le faisceau en premier lieu, sans que le plomb 16a et 16b ne vienne directement en contact avec la partie de fixation 40. Les sources de lumière de laser 10a et 10b et les unités de délivrance de plomb 14a et 14b sont commandées automatiquement par la commande logique programmable 42. Autrement dit, la commande logique programmable 42 commande la mise en marche et l'arrêt (MARCHE/ARRET) de sources de lumière de laser lOa et 10b et commande le temps de délivrance du plomb 16a et 16b de telle sorte que le plomb 16a et 16b soit délivré symétriquement du côté gauche et du côté droit des éléments optiques 26 et 28. L'explication du fonctionnement du mécanisme et du procédé de celui-ci concernant le dispositif de fixation pour des éléments optiques à l'aide du processus de soudage sans contact en se référant aux figures 1 à 6 est la suivante. Tout d'abord, l'élément optique 26 est fixé et positionné sur le dispositif d'alignement 22, et l'élément optique 28 est fixé et positionné sur le dispositif d'alignement 24, comme représenté en figure 1. Après la procédure précédente, le dispositif d'alignement aligne les systèmes optiques (non représentés) qui sont disposés à l'intérieur d'éléments optiques 26 et 28, automatiquement ou manuellement. Après que les systèmes optiques ont été alignés dans une position optimale, la commande logique programmable 42 commande les sources de lumière de laser 10a et lOb. Ensuite, les sources de lumière de laser 10a et 10b projettent des faisceaux de laser 12a et 12b, sans que les faisceaux ne doivent venir en contact avec les surfaces du boîtier 30 de l'élément optique 26 et du boîtier 32 de l'élément optique 28. Autrement dit, les sources de lumière de laser 10a et 10b projettent des faisceaux 12a et 12b, comme représenté dans les figures 1 et 2, de telle sorte que les faisceaux puissent être focalisés à l'intérieur du domaine où les foyers des faisceaux ne sont pas contact avec les surfaces de la partie de fixation 40 des éléments optiques. En d'autres termes, les positions d'illumination des faisceaux de laser 12a et 12b sont la partie de fixation 40 des éléments optiques, et les sources de lumière de laser 10a et 10b peuvent appliquer de la chaleur à son maximum pourvu que les éléments optiques 26 et 28 soient mis au voisinage de la longueur focale des faisceaux 12a et 12b. Ici, les diamètres des foyers des faisceaux 12a et 12b à leur longueur focale sont compris entre environ 0,5 mm et 3 mm. Bien que cela dépende de l'utilisation, 2,5 mm est appliqué à la réalisation de la présente invention. Le temps d'illumination des faisceaux 12a et 12b qui sont rayonnés à partir des sources de lumière de laser 10a et 10b comprend trois étapes afin d'améliorer la fiabilité de fixation du plomb 16a et 16b. Après un temps prédéterminé, à savoir après que les sources de lumière de laser 10a et 10b ont suffisamment chauffé, au voisinage de 100" C, la section transversale de la partie de fixation 40 pendant un temps de chauffage préliminaire "T1", augmentant l'affinité du plomb 16a et 16b, la commande logique programmable 42 commande automatiquement les unités de délivrance de plomb 14a et 14b, comme représenté dans les figures 4 à 6. Ensuite, les unités de délivrance de plomb 14a et 14b délivrent du plomb 16a et 16b sur les faisceaux de laser 12a et 12b. Autrement dit, les unités de délivrance de plomb 14a et 14b délivrent du plomb 16a et 16b à une vitesse constante pendant un temps de chauffage primaire "T2", comme représenté dans les figures 4 à 6. Ensuite, le plomb 16a et 16b, juste avant de toucher la partie de fixation 40, vient en contact avec les faisceaux de lumière 12a et 12b en premier lieu et est liquéfié, de façon à être par conséquent fondu et à s'écouler dans les trous traversants 34 de la partie de fixation 40. Ici, les unités de délivrance de plomb 14a et 14b délivrent le plomb 16a et 16b sur les faisceaux 12a et 12b à une vitesse d'environ 5 mm/s. Après cela, sous la commande de la commande logique programmable 42, les unités de délivrance de plomb 14a et 14b interrompent la délivrance du plomb 16a et 16b à une vitesse d'environ -25 mm/s lors de l'étape où le temps de chauffage primaire "T2" s'achève. Ensuite, les sour ces de lumière de laser lOa et lOb rayonnement des faisceaux 12a et 12b, de façon à post-chauffer par conséquent, pendant le temps de post-chauffage "T3", de telle sorte que le plomb 16a et 16b déjà délivré au niveau de la partie de fixation 40 soit maintenu sous une formation stable, sous la commande de la commande logique programmable 42, comme représenté dans les figures 4 à 6. Ensuite, la commande logique programmable 42 arrête les sources de lumière de laser 10a et 10b après l'écoulement du temps de post-chauffage "T3". Grâce à ce qui précède, les éléments optiques 26 et 28 sont fixés dans un processus de soudage sans contact, comme représenté en figure 3. Ici, en général, lorsque le temps de préchauffage est trop long par rapport au temps de préchauffage, au temps de chauffage primaire et au temps de post-chauffage du temps d'illumination de faisceau de laser des sources de lumière de laser 10a et 10b, il peut se produire un problème qui est que des parties plaquées sur les sections transversales de la partie de fixation 40 des éléments optiques peuvent être brûlées ou que tous les flux peuvent s'évaporer. Par conséquent, dans la réalisation de la présente invention, le temps est contrôlé sous la forme d'un rapport temps de préchauffage:temps de chauffage primaire:temps de post-chauffage = 1 s:1,5 s à 1,7 s:1,5 s, respectivement. Bien que l'on ait illustré et décrit ce que l'on considère comme étant la réalisation préférée de la présente invention, les personnes ayant une bonne connaissance de la technique comprendront que différents changements et modifications peuvent être apportés, et que des équivalents peuvent être substitués à des éléments de celle-ci sans s'écarter de l'étendue de l'applicabilité réelle de la présente invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour fixer des éléments optiques par soudage sans contact, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux éléments optiques (26, 28), I'intérieur de chacun d'entre eux comportant des systèmes optiques, et l'extérieur de chacun d'entre eux étant entouré par un boîtier respectif (30, 32); des sources de lumière de laser (10a, 10b) disposées respectivement sur les côtés diamétralement opposés desdits boîtiers (30, 32), lesdites sources de lumière de laser (iOa, 10b) générant des faisceaux de laser (12a, 12b) sans que lesdits faisceaux de laser (12a, 12b) ne soient focalisés sur la surface extérieure desdits boîtiers (30, 32); des unités de délivrance de plomb (14a, 14b) disposées chacune sur lesdites sources de lumière de laser (i Oa, 10b), lesdites unités de délivrance de plomb (14a, 14b) délivrant du plomb (16a, 16b) sur les faisceaux de laser (12a, 12b) afin de souder lesdits boîtiers (30, 32) I'un à l'autre ; et un dispositif de commande (42) pour commander lesdites sources de lumière de laser (10a, 10b) et lesdites unités de délivrance de plomb (14a, 14b). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit plomb (16a, 16b) est un fil de plomb. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les foyers desdits faisceaux de laser (12a, 12b) ont un diamètre compris entre 0,5 et 3 mm. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la puissance desdits faisceaux de laser (12a, 12b) est comprise entre 15W et 40 W. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un boîtier sélectionné parmi lesdits boîtiers (30, 32) entourant chacun desdits éléments optiques (26, 28) comporte un certain nombre de trous (34), correspondant chacun à une source de lumière de laser (lova, 10b) respective, de telle sorte que ledit plomb (16a, 16b) liquéfié par lesdits faisceaux de laser (12a, 12b) s'écoule dans un espace formé dans une partie de fixation (40) entre les boîtiers (30, 32) à travers lesdits trous (34). 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit dispositif de commande (42) commande lesdites sources de lumière de laser (10a, 10b) et lesdites unités de délivrance de plomb (14a, 14b) durant un temps de préchauffage, un temps de chauffage primaire et un temps de post-chauffage. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit temps de préchauffage, le temps de chauffage primaire et le temps de post-chauffage sont de 1 seconde, de 1,5 à 1,7 secondes, et de 1,5 seconde, respectivement. 8. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit dispositif de commande (42) commande lesdites unités de délivrance de plomb (14a, 14b) de façon à délivrer en sortie du plomb (16a, 16b) à une vitesse d'environ 5 mm/seconde durant ledit temps de chauffage primaire et à interrompre ledit plomb à une vitesse de -25 mm/seconde lorsque ledit temps de chauffage primaire s'achève. 9. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte de plus: un dispositif d'alignement (22, 24) auquel est fixée une extrémité prédéterminée de chacun desdits éléments optiques (26, 28), ledit dispositif d'alignement (22, 24) alignant les systèmes optiques desdits éléments optiques (26, 28). 10. Procédé pour fixer des éléments optiques comprenant au moins deux éléments optiques (26, 28) comportant des boîtiers (30, 32) qui renferment des systèmes optiques, un dispositif d'alignement (22, 24) qui aligne lesdits éléments optiques (26, 28), des sources de lumière de laser (10a, 10b) pour fixer lesdits éléments optiques (26, 28), des unités de délivrance de plomb (14a, 14b) pour délivrer du plomb (16a, 16b) devant être chauffé par des faisceaux de laser (l2a, 12b) générés par lesdites sources de lumière de laser (lova, lOb) pour ladite fixation et un dispositif de commande (42) qui commande lesdites sources de lumière de laser (10a, lOb) et lesdites unités de délivrance de plomb (14a, 14b), ledit procédé appliquant un processus de soudage sans contact pour fixer lesdits éléments optiques (26, 28) et comprenant les étapes suivantes: la fixation desdits éléments optiques (26, 28) sur ledit dispositif d'alignement (22, 24) et l'alignement desdits systèmes optiques desdits éléments optiques (26, 28); la projection desdits faisceaux de laser (12a, 12b) à partir desdites sources de lumière de laser (10a, 10b) et la focalisation desdits faisceaux de laser (12a, 12b) à l'intérieur d'un domaine où les foyers desdits faisceaux de laser (12a, 12b) ne sont pas en contact avec lesdits boîtiers (30, 32) au niveau d'une zone de fixation (40) des éléments optiques (26, 28) disposée entre lesdits boîtiers (30, 32); la délivrance dudit plomb (16a, 16b) à partir desdites unités de délivrance de plomb (14a, 14b) sur lesdits faisceaux de laser (12a, 12b) sous la commande dudit dispositif de commande (42) après une première période de temps prédéterminée; la liquéfaction dudit plomb (16a, 16b) par les faisceaux de laser (12a, l2b) durant une deuxième période de temps prédéterminée, de telle sorte que ledit plomb (16a, 16b) s'écoule à travers des trous (34) dans l'un desdits boîtiers (30, 32) et dans un espace formé dans la partie de fixation (40) entre lesdits boîtiers (30, 32); I'interruption d'une force d'actionnement desdites unités de délivrance de plomb (14a, 14b) sous la commande dudit dispositif de commande (42) après que ladite deuxième période de temps prédéterminée s'est écoulée; et l'interruption desdits faisceaux de laser (12a, 12b) sous la commande dudit dispositif de commande (42) après qu'une troisième période de temps prédéterminée s'est écoulée. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que ladite première période de temps prédéterminée comprend un temps de préchauffage pour chauffer jusqu'à une température prédéterminée une section transversale de ladite partie de fixation (40) desdits éléments optiques (26, 28). 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que ladite deuxième période de temps prédéterminée comprend un temps de chauffage primaire durant lequel ledit plomb (16a, 16b) est délivré par lesdites unités de délivrance de plomb (14a, 14b) et liquéfié par lesdits faisceaux de laser (12a, 12b) de façon à s'écouler dans ledit espace formé dans la partie de fixation entre les boîtiers. 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que ladite troisième période de temps prédéterminée comprend un temps de post-chauffage pour chauffer ladite section transversale de ladite partie de fixation (40) desdits éléments optiques (26, 28) pour que ledit plomb (16a, 16b) délivré dans l'espace formé dans la partie de fixation (40) conserve une forme stable. 14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'un rapport dudit temps de préchauffage, dudit temps de chauffage primaire et dudit temps de post-chauffage est de 1 s:1,5 s à 1,7 s:1,5 s. 15. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que ladite étape de délivrance de plomb (16a, 16b) sur lesdits faisceaux de laser (12a, 12b) comprend la délivrance dudit plomb (16a, 16b) à une vitesse de 5 mm/s durant ladite deuxième période de temps. 16. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que ladite étape d'interruption de la délivrance du plomb (16a, 16b) est effectuée à une vitesse de -25 mm/s à la fin de ladite deuxième période de temps. 17. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que ladite étape d'illumination desdits faisceaux de laser (12a, 12b) comprend la délivrance auxdites sources de lumière de laser (lova, 10b) d'une puissance électrique comprise entre 15 W et 40 W. 18. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que lesdits faisceaux de laser (12a, 12b) rayonnent avec une puissance électrique comprise entre 15 W et 40 W durant le temps de préchauffage, le temps de chauffage primaire et le temps de post-chauffage.