Tolérances mécaniques des pièces réelles

Les modules µ-CPV fabriqués selon le procédé décrit dans la section 4.2 doivent respecter les contraintes sur l’alignement des pièces décrit précédemment. Or l’alignement de chaque élément par rapport à un autre résulte de l’accumulation d’erreurs sur les dimensions de chaque pièce de l’assemblage. Pour que l’assemblage du module satisfasse les tolérances mécaniques définies précédemment, il faut donc définir une limite des incertitudes sur les dimensions de chaque pièce. Le schéma de la Figure 4.17 résume les chaînes de cotes qui définissent l’alignement latéral de ces éléments. Lors du moulage, le positionnement des POE, des SOE et des cellules est réalisé par rapport à l’insert A. Les distances inter-élément notées sur le schéma ci-dessous sont chacune liées à une pièce de l’assemblage et ne sont valables que dans le plan (x, z). On remarque que le positionnement relatif des inserts A et C est assuré par le moule lors du moulage et par l’entretoise dans le module final par les distances dm(A-C) et de(A-C).

Y (en

m m)

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Figure 4.17 : Bilan des cotes qui définissent l’alignement des éléments entre eux dans le plan latéral (x, y). On différencie l’alignement lors du moulage

et l’alignement de l’assemblage du module.

4.4.1 Mobilités de la cellule

Bien que les cellules ne soient soumises qu’à deux conditions, une translation sur l’axe x, une autre sur l’axe z, leur alignement avec le reste du module est plus critique que pour les autres pièces. D’une part, l’impact d’un déplacement de la cellule sur l’angle d’acceptance est plus élevé que pour les autres pièces (voir Tableau 0-5). D’une autre part, le placement des cellules met en œuvre des techniques à la fois optiques et mécaniques, ce qui augmente l’incertitude. En effet, le placement (pick and place) des cellules sur le circuit imprimé est numérique. Le référentiel de positionnement des cellules est construit à partir des repères visuels détectés par une caméra à reconnaissance de forme. Cette technique permet une précision de positionnement de l’ordre de ±15µm des cellules par rapport à ce référentiel. Bien que les repères visuels pour la construction du référentiel soient des guides mécaniques, il existe une incertitude inconnue lié à leur détection. Pour la suite de la chaîne de cotes, le principe est le même que pour la POE. Les erreurs de dimensions des pièces sont additionnées entre l’insert A et la cavité de la SOE. Pour la réalisation des prototypes réalisés dans cette thèse, une précision maximale est demandée à la fois pour l’usinage et l’étape de placement des cellules sur le PCB par la technique du pick and place.

4.4.2 Mobilités de la SOE

L’alignement latéral de la SOE par rapport à la cellule dépend du placement des cellules et de la géométrie du moule. L’amplitude du désalignement entre la SOE et la cellule est la somme des incertitudes de deux distances :

-la position de chaque cavité de SOE dans le moule par rapport à l’insert A définie par la distance dm(C-SOE),

-la position de chaque cellule par rapport à l’insert A définie par la distance dfa(C-Cell).

4.4.3 Mobilités de la POE

L’alignement latéral de la POE par rapport aux cellules dépend de plusieurs pièces, au cours de plusieurs étapes. L’amplitude du désalignement résulte de l’incertitude de chaque cote correspondantes à :

-la position de chaque cavité dans la face avant du moule correspondant à la distance dm(C-POE),

-la position relative des inserts A et C dans l’entretoise et dans le moule correspondent aux distances de(A-C) et dm(A-C),

-la position de l’insert C correspondant à la distance dfa(A-Cell).

Les incertitudes sur chacune de ces distances s’additionnent dans la chaîne de cote qui définit l’alignement entre la POE et la cellule. Selon le fabricant, chaque pièce usinée comporte des erreurs de dimensions de l’ordre de ±5µm. Avec une erreur aussi faible sur chaque cote, la chaîne de cote peut donc compter jusqu’à quinze cotes pour respecter l’erreur maximale admise de ±80µm. Les pièces usinées n’étant ni très complexes ni très nombreuses, les chaînes de cote ne comptent pas plus de huit éléments dans la chaîne. Finalement, les mobilités sensibles de la POE ne sont pas critiques dans l’assemblage du module.

L’erreur sur la distance focale entre la POE et le récepteur dépend de l’erreur sur l’épaisseur de l’entretoise. La cote d’épaisseur de l’entretoise doit être de 54,4±0,08mm. La rotation de la POE autour de l’axe y est déterminée par l’erreur de parallélisme entre les faces avant et arrière de l’entretoise. Ici encore, cette tolérance est spécifiée par une condition sur le parallélisme de la pièce. Par rapport à une surface de référence, en l’occurrence, la face arrière posée sur un marbre, la face avant réelle de l’entretoise doit être comprise entre deux plans parfaits théoriques espacés de 80µm autour de la cote de 54,4mm. Cette condition est décrite simplement par un symbole normé sur le plan de la pièce en annexe.

4.4.4 Erreur de forme de la lentille

La fabrication des lentilles comporte plusieurs sources d’erreur de forme possibles. Les principales sont l’erreur de forme du moule usiné, le rétreint du silicone lors du séchage et la température. Dans cette étude, l’effet de la température est négligé et toutes les mesures sont effectuées à température ambiante. En revanche le rétreint du silicone a été mesuré dans le moule du micro-concentrateur 1000X. La forme tridimensionnelle de quatre cavités de POE du moule, ainsi que les quatre POE moulées correspondantes ont été mesurées à l’aide d’un profilomètre optique maillant la surface avec un pas de 10µm dans la direction x et de 50µm dans la direction y. Sur la Figure 4.18, le profil d’une des quatre lentilles analysées est représenté avec la cavité du moule correspondante. Sur l’axe des ordonnées à droite du graphique, la différence de hauteur entre les deux profils est une courbe avec une tendance aléatoire de 0,6nm de moyenne, un écart-type de 1,25µm et un écart crête-à-crête de 8,32µm. Les variations aléatoires de cette courbe montrent que le rétreint du silicone ne dépend pas de l’épaisseur de la lentille, comme le décrit les équations de rétreint de ce type de polymères. On suppose donc que la variation maximale de ±4,15µm entre le moule et la lentille correspond à l’erreur de mesure et de traitement des données de l’ordre de 2% de l’amplitude en z. Pour notre étude des tolérances mécaniques, on considère que le rétreint du silicone est négligeable comparé aux erreurs de forme du moule que l’on développera plus tard (de l’ordre de ±10µm).

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Figure 4.18 : Comparaison des profils d'une lentille moulée et son empreinte dans le moule.