Photocopieurs et imprimantes laser

L'électricité statique, ce n'est pas que ce qui vous fait prendre un choc lorsque vous vous traînez les pieds sur un tapis ou ce qui provoque de magnifiques, mais dangereux, éclairs lors d'un orage. En effet, si le texte que vous lisez présentement a été imprimé à l'aide d'une imprimante laser ou s'il a été photocopié, vous avez entre les mains l'un des plus pratiques produits de ce phénomène. Comme quoi l'électricité statique a une autre utilité que de faire rigoler vos copains parce que vous avez un bas collé dans le dos...

Le photocopieur

Créer une copie d'un texte ou d'une image à l'aide d'un photocopieur est un geste banal et qui peut être répété des centaines de fois chaque jour dans un bureau. Chaque copie représente cependant une suite d'étapes qui sont décrites dans ce qui suit.


Anatomie d'un photocopieur

Première étape : le transfert de l'image sur le tambour

Le tambour du photocopieur est le rouleau qui permet l'impression de la copie. Il consiste en un rouleau d'aluminium recouvert d'un matériau photoconducteur (le sélénium, l'arsenic et le tellure sont des exemples de matériaux photoconducteurs). Avant même que le bouton « COPIE » ne soit pressé, le tambour est chargé positivement à l'aide d'un fil de charge (corona wire en anglais). Le dispositif est alors prêt à être mis en marche.

Lorsque le bouton de départ est finalement pressé, une forte lampe éclaire la surface à copier. Les parties noires de la page absorbent la lumière alors que les parties blanches la réfléchissent vers le tambour. Puisque le tambour est couvert d'un matériau photoconducteur, les parties qui reçoivent de la lumière se mettent à conduire l'électricité. Les charges négatives peuvent donc circuler librement entre la surface du tambour et le métal conducteur situé derrière. Les portions éclairées du tambour se chargent alors négativement. La première étape de la photocopie consiste donc à créer, à la surface du tambour, une image électrostatique de la page à copier (on l'appelle image latente).

Deuxième étape : le transfert de l'image sur le papier

Après le transfert de l'image sur le tambour, ce dernier est mis en contact avec un rouleau de développement. Ce rouleau dépose à la surface du tambour une fine poudre noire, le toner. Le toner est formé de petites billes de plastique chargées négativement et recouvertes de particules de pigment noir. Puisque le toner est chargé négativement, il adhère aux parties du tambour qui n'ont pas été exposées à la lumière et qui sont par conséquent chargées positivement (rappelez-vous, des charges opposées s'attirent).

Il ne reste plus qu'à transférer le toner sur le papier. Pour ce faire, le papier est tout d'abord chargé positivement par un fil de charge. Il est ensuite mis en contact avec le tambour recouvert de toner. Comme le papier est chargé plus fortement que le tambour, le toner est transféré sur le papier. Immédiatement après son passage sous le tambour, le papier est déchargé grâce à un autre fil de charge. Cette étape évite que la feuille de papier n'adhère au tambour après le transfert du toner. L'image électrostatique du tambour est quant à elle effacée en éclairant le tambour à l'aide d'une lampe.

Dernière étape : la cuisson du toner

À ce moment, les particules de toner, qui forment une image identique à la page d'origine, ne sont retenues sur le papier que par la gravité. Un simple éternuement, le plus petit courant d'air et la poudre s'éparpille. Pas très pratique! Il faut donc fixer le pigment au papier. Pour ce faire, la feuille de papier passe entre deux rouleaux à fusionner. Ces rouleaux chauffent le toner et le font fondre pour qu'il puisse adhérer aux fibres du papier. C'est pourquoi la photocopie fraîchement faite est toujours chaude. Il faut noter que le toner fondu n'adhère pas aux rouleaux car ceux-ci sont recouverts d'un enduit antiadhésif à base de Téflon.

Par souci de rapidité, toutes ces étapes peuvent être effectuées simultanément puisque le tambour tourne sur son axe. Ainsi, une portion du tambour peut être chargée, une autre recevoir une partie de l'image électrostatique, une autre être développée, une autre transfère le toner sur le papier alors qu'une dernière est déchargée. Le tout est illustré à la figure ci-dessous.


Le procédé de photocopie électrostatique. 1. Le papier et le tambour sont chargés positivement par des fils de charge. Le papier est chargé plus fortement que le tambour. 2. L'image à reproduire est balayée par un pinceau de lumière très intense. Les portions blanches de l'image réfléchissent la lumière vers le tambour, qui devient chargé négativement là où il est exposé à la lumière. 3. Le toner, qui est chargé négativement, est appliqué sur le tambour. Il adhère là où le tambour est chargé positivement. 4. Le toner est transféré sur le papier, qui l'attire plus fortement que le tambour à cause de sa charge plus forte. 5. Le papier et le toner sont déchargés par un fil de décharge, alors que le tambour est déchargé en étant éclairé. 6. Le toner est cuit sur le papier.

Le photocopieur, cette invention dont personne ne voulait...

Aussi étrange que cela puisse paraître, l'inventeur du principe de la photocopie a dû travailler fort pour convaincre que son invention pouvait être utile. Au tout début du 20e siècle, un premier procédé de copie de documents impliquant de la lumière fut inventé par G. C. Beidler. Il breveta son invention en 1906 et elle fut commercialisée l'année suivante par la compagnie Rectigraph. Le procédé s'avéra peu pratique puisqu'il nécessitait l'utilisation d'un papier photosensible et d'un agent activateur pour révéler l'image après exposition.

Le processus photoélectrique maintenant utilisé fut inventé en 1937 par Chester Carlson. Le procédé fut alors appelé xérographie, ce qui signifie « reproduction à sec ». Chester Carlson, alors qu'il était agent dans un bureau de brevets américain, trouvait qu'il n'y avait jamais assez de copies des brevets. Les choix qui s'offraient à lui à l'époque étaient de recourir à la photocopie, procédé coûteux, ou de tout retaper les documents à la machine et de réviser afin de déceler les erreurs de frappe. Carlson était convaincu qu'il pouvait inventer un procédé de copie des documents à la fois pratique, rapide et peu coûteux.


Chester Carlson, l'inventeur de la xérographie

Après avoir consulté de nombreux documents traitant de la reproduction de documents, il se tourna vers le domaine peu connu de la photoconductivité. Suite à ses réflexions au sujet des nouvelles découvertes sur les matériaux photoconducteurs, il s'employa à faire quelques expériences rudimentaires dans la cuisine de son appartement, au grand dam de son épouse. C'est ainsi qu'il découvrit les principes fondamentaux de ce qu'il appelait alors « électrophotographie », principes qu'il décrivit dans une demande de brevet en octobre 1937.

Il décida alors de passer de la théorie à la pratique en installant un petit laboratoire à Astoria, près de New York, et en engageant un jeune physicien d'origine allemande, Otto Kornei. Carlson lui-même a décrit l'invention de la xérographie comme suit : « Je suis allé au laboratoire ce jour-là et Otto avait une plaque de zinc recouverte d'une couche de sulfure fraîchement préparée. Nous avons essayé de voir ce que nous pouvions faire pour obtenir une image visible. Otto prit une lame de microscope en verre et inscrivit dessus, à l'encre, d'Inde la note "10-22-38 ASTORIA". »

« Nous avons tiré le store pour rendre la pièce aussi sombre que possible et nous avons alors frotté la surface de sulfure vigoureusement avec un mouchoir pour y appliquer une charge électrostatique, nous avons placé la lame sur cette surface et nous avons placé cette combinaison sous une brillante lampe incandescente pendant quelques secondes. La lame fut alors retirée et de la poudre de lycopodium fut parsemée sur la surface de sulfure. En soufflant doucement sur la surface, toute la poudre libre fut enlevée et il restait alors sur la surface une réplique presque parfaite en poudre de ce qui avait été écrit sur la lame de verre. »

« Nous avons tous deux répété l'expérience plusieurs fois pour nous convaincre que c'était vrai, que nous avions fait quelques copies permanentes en transférant les images de poudre sur du papier ciré et en chauffant les feuilles pour faire fondre la cire. Nous sommes alors sortis pour dîner et célébrer. »


La toute première copie obtenue par xérographie

Malgré ce premier succès, l'invention de Carlson souleva très peu d'intérêt. De 1939 à 1944, il présenta son invention à plus de vingt entreprises, qui refusèrent toutes de la commercialiser. Même le Conseil national des inventeurs rejeta son invention. Finalement, en 1944, le Battelle Memorial Institute, un organisme de recherche sans but lucratif, signa un contrat de partage de royautés avec Carlson et commença à développer le procédé. Quelques années plus tard, soit en 1947, l'organisme put conclure une entente avec la petite compagnie de papier photographique Haloid pour qu'elle développe une machine xérographique.

Le premier copieur de bureau utilisant la xérographie fut dévoilé seulement en 1959. Haloid étant entre temps devenue Xerox. Le copieur 914 permettait de faire des copies rapidement sur du papier ordinaire en appuyant simplement sur un bouton. Le succès fut tardif, mais phénoménal.

Une invention dérivée, l'imprimante laser

Le principe de fonctionnement de l'imprimante laser est assez similaire à celui du photocopieur. Il n'y a cependant pas d'image réelle dont on veut faire une copie, mais plutôt une image « virtuelle », dans l'ordinateur, dont on veut créer une impression originale. L'information à propos du document à imprimer est transmise à l'imprimante, qui convertit cette information en un ensemble de points, les pixels. L'imprimante utilise ensuite cette information binaire pour contrôler un laser qui « dessinera » des points à la surface du tambour. Le laser éclaire les points qui devront être en noir.


Écriture de l'image latente à la surface du tambour par le laser. Pour ce faire, le laser est successivement allumé et éteint pour dessiner des points. Le miroir pivotant permet de balayer horizontalement le tambour de l'imprimante avec le laser alors que le tambour tourne sur son axe.

L'image à imprimer est donc chargée négativement alors que les parties blanches de l'image sont chargées positivement. Le toner d'une imprimante laser doit donc être constitué de particules de charge positive pour qu'elles adhèrent au tambour aux bons endroits. Le toner est ensuite transféré sur le papier où il est cuit en passant dans le dispositif de fusion.


Parcours du papier dans une imprimante laser

Parions que désormais, lorsque vous imprimerez vos prochains travaux scolaires, vous remercierez pour une fois l'électricité statique.

Pour en savoir plus...*
* La Chaire CRSNG/Alcan n'est pas responsable du contenu des sites externes.
Exploration
Retourner à la page précédenteRetourner au début de la pageAfficher une version imprimable de cette pageEnvoyer un courriel à l'équipe d'OPUS