EP1353881A1 - Thermisch vorgespannter bildschirm für kathodenstrahlröhren und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Thermisch vorgespannter bildschirm für kathodenstrahlröhren und verfahren zu seiner herstellung

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Publication number
EP1353881A1
EP1353881A1 EP02706726A EP02706726A EP1353881A1 EP 1353881 A1 EP1353881 A1 EP 1353881A1 EP 02706726 A EP02706726 A EP 02706726A EP 02706726 A EP02706726 A EP 02706726A EP 1353881 A1 EP1353881 A1 EP 1353881A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
screen
cooling
temperature
mpa
surface compressive
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP02706726A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Carsten Weinhold
Peter Elfner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schott AG
Original Assignee
Schott AG
Carl Zeiss AG
Schott Glaswerke AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Schott AG, Carl Zeiss AG, Schott Glaswerke AG filed Critical Schott AG
Publication of EP1353881A1 publication Critical patent/EP1353881A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B27/00—Tempering or quenching glass products
    • C03B27/04—Tempering or quenching glass products using gas
    • C03B27/06—Tempering or quenching glass products using gas for glass products other than flat or bent glass plates, e.g. hollow glassware, lenses
    • C03B27/065—Stresses, e.g. patterns, values or formulae
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B11/00—Pressing molten glass or performed glass reheated to equivalent low viscosity without blowing
    • C03B11/06—Construction of plunger or mould
    • C03B11/10—Construction of plunger or mould for making hollow or semi-hollow articles
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B25/00—Annealing glass products
    • C03B25/04—Annealing glass products in a continuous way
    • C03B25/06—Annealing glass products in a continuous way with horizontal displacement of the glass products
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    • C03B29/00—Reheating glass products for softening or fusing their surfaces; Fire-polishing; Fusing of margins
    • C03B29/04—Reheating glass products for softening or fusing their surfaces; Fire-polishing; Fusing of margins in a continuous way
    • C03B29/06—Reheating glass products for softening or fusing their surfaces; Fire-polishing; Fusing of margins in a continuous way with horizontal displacement of the products
    • H—ELECTRICITY
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    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
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    • H01J29/86—Vessels; Containers; Vacuum locks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01J9/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture, installation, removal, maintenance of electric discharge tubes, discharge lamps, or parts thereof; Recovery of material from discharge tubes or lamps
    • H01J9/24—Manufacture or joining of vessels, leading-in conductors or bases
    • H01J9/244—Manufacture or joining of vessels, leading-in conductors or bases specially adapted for cathode ray tubes
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    • H01J2229/00—Details of cathode ray tubes or electron beam tubes
    • H01J2229/86—Vessels and containers
    • H01J2229/8613—Faceplates

Definitions

  • the invention relates to a thermally prestressed screen for cathode ray tubes with a defined distribution of surface compressive stresses, consisting of a substantially rectangular windshield with a circumferentially angular molded web, which ends with a soldering edge.
  • the invention further relates to a method for producing such a screen.
  • Cathode ray tubes made of glass such as are used in particular as picture tubes for TV sets or as monitors for PC, typically consist of a screen, i.e. a windshield, also called a spherical cap, with a web that is formed around the circumference at an angle, a funnel that is airtightly connected to the web edge to edge, and the neck for the cathode ray system, which is melted onto an opening in the funnel.
  • the circumferential web typically extends essentially perpendicular to the approximately rectangular windshield, which, as in the case of conventional cathode ray tubes, can also be essentially flat, as in the case of modern flat screens.
  • these cathode ray tubes After being evacuated, these cathode ray tubes are exposed to a very high pressure load due to atmospheric pressure. This applies in particular to the very large-area TV picture tubes and there especially to the screen. This pressure load leads, among other things, to the fact that the front panel of the screen is curved inwards.
  • a high breaking strength and thus a high implosion protection standard of the picture tube is aimed at in the manufacture of the screens. This can be done by a sufficiently high wall thickness and a suitable wall thickness distribution of the screen. In general, the flatter the wall thickness of the front screen of the screen, the flatter, i.e. less curved, the front screen of the screen is. However, this has the consequence that the weight of the screen and thus of the picture tube increases.
  • the circumferential web of the front screen of the screen also contributes to improving the breaking strength of the cathode ray tube. Without the peripheral web, in the connection area between the screen and the picture tube funnel or in the vicinity thereof, under dynamic load, i.e. in the event of a shock or impact, high tensile stress occurs, which can lead to the screen breaking along the connecting edge. However, this is undesirable in the event of an implosion.
  • the angle between the windshield and the circumferentially angled web is not necessarily exactly 90 °.
  • the thickness, shape, height and other geometric properties of the surrounding web, but also the transition area to the windscreen, are therefore generally designed so that the resulting picture tube has the necessary strength.
  • the resulting breaking strength of the screen - and thus also that of the picture tube - also depends to a large extent on the type of manufacture of the screen and on the mechanical stresses that arise in the screen, which will be described below.
  • a typical manufacturing process for the screen consists of pressing the raw screen from a molten glass item, an initial cooling step, the introduction of the so-called PIN's for holding the shadow mask and its adjustment, a relaxation step and a grinding and polishing step.
  • Relaxation usually takes place in two stages. During the initial stage, a homogeneous warming of the pressed screen (the so-called "soaking"), the temperature is evened out and tensions are reduced with a short decay time. In the final stage, the screen is cooled to room temperature at a defined cooling rate in such a way that the screen is not broken by transient voltages.
  • the finished picture tube is heated again to temperatures up to 380 ° C during the evacuation. This leads to transient thermal stresses, which can cause the picture tube to break. This problem is exacerbated in particular if the speed of the thermal process steps and thus the steepness of the temperature curves passing through in the production process of the picture tubes is increased in order to reduce the production times. In the case of picture tubes with insufficient breaking strength or excessive transient tensions due to temperature gradients, implosion occurs in the worst case after the desired vacuum has been reached, but before or when the tension band is applied. Within the finished evacuated picture tube, the maximum value of the tensile stress caused by the vacuum occurs near the corner area between the front screen and the web or in the web of the screen itself.
  • the pressing process and the downstream cooling and expansion process play a decisive role in this distribution of tension on the screen.
  • the glass screen is generally pressed from an approximately 1000 ° C glass batch. During this pressing process, high temperature gradients between the surface and the interior of the glass body are created by the contact cooling with the press ram.
  • the glass temperature is too high when the press ram is withdrawn at the end of the pressing process, the already solid surface of the glass body is heated up again by the hotter core glass and the glass body loses its shape determined by the pressing.
  • the glass temperature is too low when the punch is withdrawn, a break can occur, especially along the edges and near the corners of the screen. It is therefore common practice to remove the die from the die as soon as possible, ie to stop contact cooling by the die as early as possible, and to remove the raw screen remaining in the die by forced convection with air to cool.
  • Both the maximum value of the tensile stress arising under static vacuum load and the area in which this maximum occurs are determined by the geometry and the wall thickness distribution of the picture tube.
  • a common design practice provides, within the given limits, to set the screen geometry and the wall thickness distribution in such a way that the maximum vacuum-related tensile stress remains below 8 MPa. This can be achieved, for example, in a known manner by changing the radii of the inner / outer curvature of the windshield with the aim of thickening the edge regions (vault effect; wedge effect; “wedge”).
  • Another possibility is the targeted change of material thicknesses, preferably in the web or transition area, with the aim of reducing the stress components introduced into the windshield due to excessive rigidity in this area by deformation.
  • the radius of curvature is adjusted, this can be pronounced separately for each axis of the screen. If the radius of curvature of the front screen of the screen is increased, a significantly thicker front screen is necessary at least in some areas in order to keep the maximum vacuum-related tensile stress below an acceptable value.
  • the properties of the picture tube with regard to implosion security are fundamentally deteriorated if the wall thicknesses are close are uniform and the front screen of the screen is essentially flat, as is required in modern flat screens.
  • the breaking strength of the picture tube can be increased by increasing the wall thickness of the windshield or by providing a curvature by reducing the radii of curvature while possibly increasing the wall thickness in the edge regions.
  • the overall weight of the picture tube increases disadvantageously. In addition to unfavorable handling properties of the picture tube, this also leads to a slowdown of the picture tube production process with higher energy consumption, due to the longer heating and cooling cycles both when connecting the screen to the funnel and during evacuation. If, on the other hand, the radius of curvature of the inner screen surface is reduced in order to increase the ratio of the wall thicknesses in the edge areas to those in the center of the screen, then the different glass thicknesses across the illuminated glass surface result in a loss of brightness in the edge area.
  • breaking strength of glass picture tubes in particular of flat screens, can be increased by additional measures in a way other than by increasing the wall thickness of the screen.
  • the decisive factor is the course of the stress profile over the thickness and the stress distribution within the screen, in addition to the physical properties of the glass used in each case, both of the absolute value of the temperature and of the largest Depending on the temperature difference between the outside and inside of the screen and the local time.
  • the thickness of a surface compressive stress layer that can be achieved by annealing is always larger than 1/10 of the screen thickness.
  • cooling typically results in a surface layer under compressive stress with an intermediate layer under tensile stress both on its outside and on its inside.
  • the level of the voltages increases towards the edge of the screen, i.e. down to the all-round, angled web.
  • the residual voltage that otherwise arises is reduced to an acceptable value.
  • This is done by first keeping the screen temperature near the transformation temperature for a certain period of time in order to achieve homogeneous soaking and so on remove excess voltages at the same time and then cool the screen to room temperature with a temperature gradient between 3 K / min up to 10 K / min, depending on the thickness and temperature of the glass part.
  • a compressive stress layer which is more than 1/10 of the screen thickness
  • a tensile stress layer which lies between the two compressive stress layers, are formed on the two surfaces of the screen.
  • the compressive stress in the area of the bending of the web (transition area) is approximately half the compressive stress in the center of the front screen of the screen.
  • a targeted treatment of the screen to reduce the shrinkage during thermal aftertreatment is not addressed in the aforementioned document.
  • US 5,445,285 describes a picture tube whose glass walls are thermally toughened. Relationships are given which are intended to show the relationship between the maximum surface tensile stress under static vacuum load, the glass breaking strength and the required amount of compressive stress on the surface of the glass body for an implosion-proof picture tube. From this, the idea already known from the first-mentioned US Pat. No. 2,991,591 is developed to thermally prestress the areas of the screen, on the surface of which considerable tensile stresses occur under vacuum load, for compensation. Due to more cooling of the windscreen, there is a higher compressive stress than in the web; the amount of preload in the web is up to 50% lower than that of the windscreen. Nevertheless, the relationships and conditions described are not sufficient to describe a picture tube that is implosion-proof even under dynamic load (impact, shock).
  • the absolute value of the surface compressive stresses in the screen areas in which the maximum tensile stresses occur under vacuum load should be in the range from 7 to 30 MPa.
  • Such high surface compressive stresses also lead to high tensile stresses in the area of the middle layer of the screen, the value of which is approximately half the absolute value of the surface compressive stress.
  • undesirable, unmanageable breaking behavior (dicing) can occur, in which small parts are detached from the screen and flung at high speed in the direction of the viewer.
  • the tensile stresses in the middle layer of the finished picture tube should always be kept below 10 MPa.
  • DE 197 58 060 AI describes a method for achieving a pretension in which, after the screen has been pressed and removed from the mold, a pretension is introduced in the edge region of the windshield by targeted blowing with preheated air.
  • This method has the disadvantage that an additional device is required for this, which must be adapted to the respective geometry of the screen to be treated and aligned with it.
  • it is necessary to shield the areas, which must not be blown to avoid breakage, in individual cases.
  • the achievable, high pre-stresses lead to a large number of relatively small splinters in the event of failure in the event of insufficient after-cooling, which reduces the maximum tensile stresses in the middle layer to an acceptable level, as described above.
  • the invention has for its object a thermally biased screen for a cathode ray tube, preferably one in which the outer surfaces of the windshields are substantially flat and in which the total change in thickness over the screen surface is minimized by brightness differences between the central area and the peripheral area to reduce, to create, and to carry out the process for its production so that it has a higher implosion security even under dynamic load than the known screens with less shrinkage during thermal aftertreatment.
  • the object is achieved according to the invention by a method for producing thermally prestressed screens for cathode ray tubes consisting of an essentially rectangular front screen with a circumferentially angularly shaped web, which ends with a soldering edge, by hot press molding the respective screen from a molten glass item with a initial cooling step, which is followed by a multi-stage relaxation process by cooling the screen lying on a conveyor belt with the soldering edge, with the steps:
  • the measures according to the invention can be used to create a thermally toughened screen with a defined stress distribution, which has comparatively high surface compressive stresses with moderate residual stresses in the soldering edge and a moderate change in the glass density during thermal aftertreatment.
  • the method according to the invention also reduces the shrinkage and deformation of the screen during the reheating phases in the production of the completed picture tube. Therefore, both the density changes and the differences in density changes on the screen can be minimized.
  • the pressure-saving layers in the completed picture tube are distributed as evenly and as symmetrically as possible.
  • the compressive stress on the inner surface of the screen is equal to or greater than that on the outside of the screen. This is particularly the case in the areas of the glass screen that are closest to the edge areas and there in particular to the corner areas, that is to say in the transition from the front screen to the web.
  • the method according to the invention allows the generation of a predetermined voltage distribution on the screen without additional means in a predetermined process solely by means of a heat-optimized pressing tool in connection with a targeted temperature control during the cooling process in the cooling belt. An inherently stable process can thus be achieved, avoiding means that are subject to change over time, that need to be carefully adjusted and adjusted, or that require sophisticated devices against tendencies to error and control.
  • FIG. 1 schematically shows three different possibilities for heat optimization of a press ram for screens in three different figure parts A - C, which is only shown in part,
  • Figure 2 in four different figure parts A - D schematically four different ways of optimizing the heat of a press mold for screens, which is also only shown in part, and
  • Figure 3 is a temperature / time diagram with a preferred cooling curve for the temperature treatment of a thermoformed screen and Figure 4 is a block diagram representation of the main process steps for the manufacture of a picture tube.
  • FIG. 1 shows, in three different parts of the figures A, B and C, sections of three embodiments of a water- or oil-cooled, heat-optimized press die 1, and in FIG. 2 likewise three different parts of the sections A, B, C, three sections of a cooled, heat-optimized press- Form 2 for hot forming a screen.
  • Both the press die and the press mold have a defined material combination and / or wall thickness distribution in order to achieve heat optimization of the heat removal when the tool comes into contact with the thermoformed screen.
  • This heat optimization is carried out in such a way that the press die and the press mold are designed such that a greater amount of heat is dissipated from the screen at a defined value in the areas in which a higher compressive stress is to be built up in the surface of the screen to achieve a higher temperature difference to the middle glass layer in the screen.
  • the contact time of the press ram with the hot-formed screen and its dwell time in the press mold play an important role and are therefore fine-tuned accordingly.
  • FIG parts A and B of Figure 1 show a heat optimization of the press ram by a different wall thickness distribution, in Figure A in such a way that a recess 3 is formed in the wall of the press ram in the edge region. In the area of this depression, the heat can therefore be more strongly dissipated from the screen located under the (internally cooled) press die 1.
  • the different wall thickness distribution is achieved in such a way that an additional plate 1 b is applied, for example screwed on, to the inside of the press die base 1 a.
  • the embodiment according to the figure part C shows a heat optimization of the press die 1 by different materials with different thermal conductivity.
  • the press die base la which consists of a standard material, is covered on the inside with a layer (layer) lc of a material with lower thermal conductivity, so that the thermal conductivity and thus the heat removal in the corner areas is greater.
  • FIG. 2 shows four different parts A, B, C and D of four different ways of optimizing the heat of the press mold 2, a combination of the corresponding measures also being possible here.
  • a cooling tube is symbolically indicated in the corner area of the press mold 2, which cools the corner area more than the central area of the screen.
  • the heat is optimized by varying the material thickness in the form of a recess 5 in the corner area, which likewise contributes to better heat dissipation in this area.
  • FIG. 2C shows an embodiment corresponding to FIG. IC, in which a layer 2a of less heat-conducting material is embedded flush in the mold base 2b on the inside.
  • Figure 2 D shows a solution to the Heat optimization in which the layer 2 a of less conductive material is embedded on the outside of the mold base 2 b.
  • FIGS. 3 and 4 show the process sequence according to the invention for producing the prestressed screens in the form of one of the cooling curve and the main process steps.
  • the cooling curve shows the time course of the temperature on the screen surface during the hot molding and subsequent cooling of the screen.
  • a glass batch of approximately 1000 ° C. is placed in the heat-optimized press mold with a defined material combination and wall thickness distribution according to FIG. 2, as well as an attached ring.
  • Glass is preferably used as the glass material, which is known under Schott code 8056 and is typically used for the production of screens.
  • the cooled, heat-optimized press die with defined material combination and wall thickness distribution according to FIG. 1 is inserted into the press mold 2 and the molten glass item is pressed into the shape of a screen.
  • the screen has the desired initial temperature distribution for the subsequent heat treatment, namely a high temperature difference between the middle layer and the outside of the screen in the areas in which a high surface compressive stress is subsequently to be achieved.
  • This temporal process step of pressing and cooling in FIGS. 3 and 4 is designated by "I".
  • the screens are transported with free convection and variable transport time to a station in which the so-called pins for the subsequent shadow mask holder are anchored in the screen, the dwell time in the station being variable with free convection.
  • the screens with the soldering edge i.e. placed the opening down on a conveyor belt and transported to a cooling furnace.
  • the screens are reheated to less than 5 minutes to a temperature slightly above the transformation temperature T G in a first process step III. This is preferably done by a combination of defined radiation and increased circulating air heating, the interior of the thicker areas of the screen preferably being heated. Other methods of reheating, such as the use of microwaves, are also conceivable.
  • the screens are then held at elevated temperature for the period IV using the above heating combination to achieve a soaking of the screen.
  • rapid cooling takes place, the so-called "quenching". This is preferably brought about by the fact that the temperature of the air used for the forced-air heating is reduced rapidly, ie in a few minutes, for example in 6 minutes, to a temperature of approximately (T G - 100 K) ⁇ 25 K in order to reduce the voltage in to slow down the screens and maintain a temperature difference of at least 15 K between the outside and inside of the screen.
  • Other combinations of heating and cooling methods with the aim of setting the temperature difference are also conceivable here.
  • the screens which continue to run on the cooling belt through the cooling furnace are finely cooled in order to adjust the maximum change in glass density during the thermal aftertreatment, the so-called "compaction".
  • the screens are kept at a temperature of (T G - 80 K) + 15 K for up to 60 min in order to reduce the compaction to a value well below 110 ppm, measured on the basis of a temperature / time curve specified by the picture tube manufacturer, preferably detected by the change in length of a rod-shaped glass sample that occurs.
  • the screens are then cooled to room temperature in the usual way.
  • the screens produced by the method described above have a sufficiently high surface compressive stress which is greater on the inside of the screen than on the outside.
  • the stress layers obtained have a substantially uniform thickness, as a result of which areas with tensile stresses on the inside of the screen near the corners in the transition from the windshield to the web are avoided. These areas with tensile stress are often determined when high surface compressive stresses are built up on the screen due to pure cooling or unsuitable blowing. They are disruptive factors with regard to the security against implosion of the later picture tube.

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Abstract

Um derartige Bildschirme gegen eine dynamische Last bruchsicherer zu machen, ist eine definierte Verteilung der durch die thermische Vorspannung aufgebrachten Oberflächendruckspannungen notwending. Ferner soll die Glasdichte möglichst niedrig und gleichförmig sein, um Störeinflüsse auf die Helligkeit der Darzustellenden Bilder zu vermeiden. Die bekannten Herstellverfahren sind aufwending und können nicht allen Bedingungen gerecht werden. Die erfindungsgemässen Massnahmen sehen zunächst ein mehrteiliges wärmeoptimiertes Presswerkzeug vor, bei dem in den Bereichen, in denen eine erhöhte Oberflächen-Druckspannung aufgebaut werden soll, eine erhöhte Wärmeabfuhr erfolgt. Anschliessend erfolgt nach einem Wiedererwärmugsschritt mit gleichmässigem Durchwärmen des Bildschirmes und Schnellkühlen auf eine niedrigere Temperatur zwecks Feinkühlen ein definiertes Einstellen der Spannungsverteilung bei niedriger Glasdichteänderung (Compaction) bei thermischer Nachbehandlung.

Description

Thermisch vorgespannter Bildschirm für Kathodenstrahlröhren und Verfahren zu seiner Herstellung
Beschreibung:
Die Erfindung bezieht sich auf einen thermisch vorgespannten Bildschirm für Kathodenstrahlröhren mit definierter Verteilung von Oberflächen- Druckspannungen, bestehend aus einer im wesentlichen rechteckigen Frontscheibe mit umlaufend winklig angeformtem Steg, der mit einer Lötkante abschließt.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Bildschirmes.
Kathodenstrahlröhren aus Glas, wie sie insbesondere als Bildröhren für TV- Geräte oder als Monitore für PC Anwendung finden, bestehen typischerweise aus einem Bildschirm, d.h. einer Frontscheibe, auch Kalotte genannt, mit umlaufend winklig angeformtem Steg, aus einem Trichter, der Kante auf Kante mit dem Steg luftdicht verbunden wird, und dem Hals für das Kathodenstrahlsystem, der an einer Öffnung im Trichter an diesem angeschmolzen wird.
Der umlaufende Steg erstreckt sich typischerweise im wesentlichen senkrecht zu der annähernd rechteckigen Frontscheibe, die, wie bei konventionellen Kathodenstrahlröhren gewölbt, aber wie bei modernen Flachbildschirmen, auch im wesentlichen flach sein kann. Diese Kathodenstrahlröhren sind nach ihrer Evakuierung einer sehr hohen Druckbelastung durch den Atmosphärendruck ausgesetzt. Dies gilt insbesondere für die sehr großflächigen TV-Bildröhren und dort speziell für den Bildschirm. Diese Druckbelastung führt u.a. dazu, daß die Frontplatte des Bildschirmes nach innen gewölbt ist.
Um eine Implosion aufgrund der Druckbelastung zu verhindern, wird bei der Herstellung der Bildschirme eine hohe Bruchfestigkeit und somit ein hoher Implosionsschutz-Standard der Bildröhre angestrebt. Dies kann durch eine ausreichend hohe Wanddicke und eine geeignete Wanddickenverteilung des Bildschirmes erfolgen. Im Allgemeinen muß die Wandstärke der Frontscheibe des Bildschirms umso höher sein, je flacher, d.h. weniger gewölbt, die Frontscheibe des Bildschirms ist. Dies hat jedoch zur Folge, daß das Gewicht des Bildschirms und somit der Bildröhre zunimmt.
Neben der Glasteilgeometrie und der Festigkeit des Glases liefert auch der umlaufende Steg der Frontscheibe des Bildschirmes einen Beitrag zur Verbesserung der Bruchfestigkeit der Kathodenstrahlröhre. Ohne den umlaufenden Steg würde in dem Verbindungsbereich zwischen dem Bildschirm und dem Bildröhrentrichter bzw. in dessen Umgebung, unter dynamischer Last, d.h. bei einem Schlag oder Stoß, eine hohe Zugspannung auftreten, welche zu einem Bruch des Bildschirmes entlang der Verbindungskante führen kann. Dies ist jedoch im Fall einer Implosion unerwünscht.
Der Winkel zwischen der Frontscheibe und dem umlaufend abgewinkelt angeformten Steg beträgt nicht notwendigerweise exakt 90°. Die Dicke, die Form, die Höhe und andere geometrische Eigenschaften des umlaufenden Steges, aber auch der Übergangsbereich zur Frontscheibe, werden daher generell so ausgelegt, daß die entstehende Bildröhre die notwendige Festigkeit hat. Die resultierende Bruchfestigkeit des Bildschirmes - und damit auch die der Bildröhre - hängt auch im hohen Maße von der Art der Herstellung des Bildschirmes und von den dabei entstehenden mechanischen Spannungen im Bildschirm ab, was im folgenden beschrieben werden soll.
Ein typischer Herstellungsprozeß für den Bildschirm besteht aus dem Pressen des Roh-Bildschirmes aus einem geschmolzenen Glasposten, einem Anfangs- Kühlschritt, dem Einbringen der sogenannten PIN's für das Halten der Lochmaske und deren Justage, einem Entspannungsschritt sowie einem Schleifund Polierschritt.
Üblicherweise erfolgt das Entspannen in zwei Stufen. Während der Anfangsstufe, einem homogenen Durchwärmen des gepreßten Bildschirmes (dem sogenannten "soaking") wird die Temperatur vergleichmäßigt und es werden Spannungen mit einer kurzen Abklingzeit abgebaut. In der abschließenden Stufe wird der Bildschirm mit definierter Abkühlungsgeschwindigkeit auf Raumtemperatur abgekühlt, derart, daß ein Brechen des Bildschirmes durch transiente Spannungen vermieden wird.
Es ist dabei wünschenswert, zumindest in ausgewählten Teilbereichen eine höhere Oberflächen-Druckspannung in den Bildschirm einzubringen, um die strukturell durch die Vakuumbelastung und durch das typischerweise um die Bildröhre angelegte Spannband eingebrachten Zugspannungen auszugleichen.
Es ist weiterhin zu bedenken, daß während der Herstellung der Kathodenstrahlröhre die Bildröhre wiederholt auf höhere Temperaturen aufgeheizt wird. Während der Aufheiz- und anschließenden Kühlzyklen kommt es innerhalb der Bildröhre wiederholt zu transienten thermisch induzierten Spannungen und einem Abbau der Restspannungen. Ein bekanntes Problem beim Fügen des Bildschirmes mit dem Trichter bei Temperaturen bis zu 450° C besteht darin, daß die Ecken des Bildschirmes aufgrund zu hoher transienter Spannungen abbrechen. Des weiteren wird durch den Abbau von oberflächennahen Druckspannungen die Bruchfestigkeit der fertigen Bildröhre gemindert. Ferner können durch die unterschiedliche thermische Ausdehnung der Glasteile neue Spannungen entlang der Verbindungskante nach der Kristallisation des verwendeten Glaslotes (Fritte) aufgebaut werden. Stehen die thermischen Ausdehnungen der verschiedenen Teile des Systems: Bildschirm/Fritt- Verbindung/Trichter nicht in dem richtigen Verhältnis zueinander, so kann sich dies ungünstig auf das Bruchverhalten auswirken.
Ein weiteres Problem bei der Bildröhren-Herstellung besteht darin, daß sich die Dichte der Glasteile während der thermischen Behandlung im Bildröhren- Herstellprozeß erhöht. Der damit einhergehende Schrumpf, der mehr als 120 ppm betragen kann, führt zu einer relativen Verschiebung der Löcher der Bild-Lochmaske und der Leuchtstoffpunkte auf der Bildschirm-Innenseite. Dies kann zu Farbfehlern führen, da die Zuordnung Maskenloch/Leuchtstoffpunkt nicht mehr stimmt. Der Schrumpf des Glasteils, und somit der Dichteanstieg, sollte daher über die Frontscheibe möglichst gleichmäßig sein und einen gewissen Schwellwert nicht überschreiten.
Es ist ferner zu beachten, daß die fertige Bildröhre während der Evakuierung nochmals auf Temperaturen bis zu 380° C erwärmt wird. Dies führt zu transienten thermischen Spannungen, die den Bruch der Bildröhre herbeiführen können. Dieses Problem wird insbesondere dann verschärft, wenn die Geschwindigkeit der thermischen Verfahrensschritte und somit die Steilheit der durchlaufenden Temperaturkurven in dem Herstellungsprozeß der Bildröhren erhöht wird, um die Fertigungszeiten zum mindern. Bei Bildröhren mit mangelnder Bruchfestigkeit oder zu hohen transienten Spannungen aufgrund von Temperaturgradienten kommt es im schlimmsten Fall nach dem Erreichen des gewünschten Vakuums, aber vor oder bei dem Anlegen des Spannbands zu einer Implosion. Innerhalb der fertigen evakuierten Bildröhre tritt der Maximalwert der durch das Vakuum verursachten Zugspannung nahe des Eckbereiches zwischen Frontschirm und Steg oder im Steg des Bildschirmes selbst auf. Ist die Vakuum-Zugspannung groß genug, so führt dies in den betroffenen Bereichen zu Materialversagen unter statischer Last. Es ist daher vorteilhaft, in diesen Bereichen, in denen das Maximum der Zugspannungen unter statischer wie dynamischer Last, auftreten kann, Oberflächen-Druckspannungen in geeigneter Form einzubringen. Ferner erscheint es förderlich, die Oberflächen- Druckspannung in den Bereichen, in denen aus Sicherheitsgründen ein Brechen unter dynamischer Last bevorzugt erfolgen soll, zu erniedrigen.
Aus vorstehenden Ausführungen wird deutlich, daß es wesentlich auf die Verteilung der Spannungen im Bildschirm ankommt, um eine im hohen Maße bruchfeste Bildröhre zu erhalten. Für diese Spannungsverteilung im Bildschirm spielt zum einen der Preßvorgang und zum anderen der nachgeordnete Kühl- und Entspannungsprozeß eine maßgebende Rolle. Der Glas-Bildschirm wird im allgemeinen aus einem etwa 1000° C heißen Glasposten gepreßt. Während dieses Preßvorganges entstehen durch die Kontakt-Kühlung mit dem Preß- Stempel hohe Temperaturgradienten zwischen der Oberfläche und dem Inneren des Glaskörpers.
Wenn die Glastemperatur beim Zurückziehen des Preß-Stempels am Ende des Preßvorganges zu hoch ist, wird die schon feste Oberfläche des Glaskörpers durch das heißere Kern-Glas wieder erwärmt und der Glaskörper verliert seine durch die Pressung bestimmte Formgebung. Wenn auf der anderen Seite die Glastemperatur beim Zurückziehen des Preß-Stempels zu niedrig ist, kann ein Bruch vor allem entlang der Kanten und nahe der Ecken des Bildschirmes auftreten. Es ist daher allgemeine Praxis, den Preßstempel so schnell wie möglich aus der Preß-Form zu entfernen, d.h. die Kontaktkühlung durch den Preßstempel so früh wie möglich zu beenden, und den in der Preß-Form verbliebenen Roh-Bildschirm durch eine erzwungene Konvektion mit Luft zu kühlen. Bedingt durch die sich einstellenden Temperaturunterschiede zwischen dem Inneren und der äußeren Oberfläche des Bildschirmes in der Preß-Form, die während des Pressens und der erzwungenen Konvektions-Kühlung entstehen, werden im weiteren Verlauf des Abkühlprozesses mechanische Spannungen im Glas aufgebaut. Je höher die über die Glas- Transformationstemperatur aufgebauten Temperaturunterschiede sind, umso höher sind die Zugspannung in der mittleren Schicht als auch die Oberflächen- Druckspannungen zu beiden Seiten der mittleren Schicht.
Sowohl der Maximalwert der sich unter statischer Vakuumlast einstellenden Zugspannung als auch der Bereich, in dem dieses Maximum auftritt, wird von der Geometrie und der Wanddickenverteilung der Bildröhre bestimmt. Eine übliche Design-Praxis sieht vor, in den gegebenen Grenzen die Bildschirmgeometrie und die Wandstärkenverteilung so einzustellen, daß die maximale vakuumbedingte Zugspannung unterhalb 8 MPa bleibt. Dies kann beispielsweise in bekannter Weise durch das Verändern der Radien der inneren/äußeren Krümmung der Frontscheibe mit dem Ziel, die Randbereiche zu verdicken, erreicht werden (Gewölbeeffekt; Keileffekt; "Wedge"). Eine andere Möglichkeit ist die gezielte Veränderung von Materialstärken, bevorzugt im Steg- oder Übergangsbereich mit dem Ziel, die durch zu hohe Steifigkeit in diesem Bereich in die Frontscheibe eingetragenen Spannungsanteile durch Verformung zu vermindern.
Wird der Krümmungsradius angepaßt, so kann dieser für jede Achse des Bildschirms gesondert ausgeprägt sein. Wenn der Krümmungsradius der Frontscheibe des Bildschirms vergrößert wird, so ist mindestens in Teilbereichen eine wesentlich dickere Frontscheibe notwendig, um die maximale vakuumbedingte Zugspannung unter einem akzeptablen Wert zu halten. Die Eigenschaften der Bildröhre in Bezug auf Implosions-Sicherheit werden jedoch grundsätzlich verschlechtert, wenn die Wandstärken nahezu gleichförmig sind und die Frontscheibe des Bildschirmes im wesentlichen flach ist, wie es bei den modernen Flachbildschirmen gefordert wird.
Es ist allen Fachleuten bekannt, daß die Bruchfestigkeit der Bildröhre erhöht werden kann, indem man die Wanddicke der Frontscheibe erhöht, oder durch eine Verringerung der Krümmungsradien eine Wölbung bei möglicherweise gleichzeitiger Erhöhung der Wanddicke in den Randbereichen vorsieht.
Wenn man zur Erhöhung der Bruchfestigkeit einer Bildröhre mit einem im wesentlichen flachen Bildschirm die Wanddicke erhöht, steigt dadurch das Gesamtgewicht der Bildröhre mit Nachteil an. Neben ungünstigen Handhabungseigenschaften der Bildröhre führt dies auch zu einer Verlangsamung der Bildröhren-Herstellungsverfahren bei gleichzeitig höherem Energieverbrauch, bedingt durch die längeren Aufheiz- und Abkühlzyklen sowohl beim Verbinden des Bildschirmes mit dem Trichter als auch beim Evakuieren. Wenn auf der anderen Seite der Krümmungsradius der inneren Bildschirmoberfläche verringert wird, um das Verhältnis der Wanddicken in den Randbereichen zu denen in der Mitte des Zentrums des Bildschirms zu erhöhen, dann entsteht durch die unterschiedlichen Glasdicken über die ausgeleuchtete Glasfläche ein Helligkeitsverlust im Randbereich.
Es ist bekannt, daß die Bruchfestigkeit der Bildröhren aus Glas, insbesondere von Flachbildschirmen, durch Zusatzmaßnahmen auf andere Weise als durch Erhöhung der Wanddicke des Bildschirmes gesteigert werden kann.
Die US 5.532.545 zeigt einen Weg, bei dem der Bildschirm mit einer Kunststoffschicht versehen wird. Durch Abnutzung und Alterung können die mechanischen und optischen Eigenschaften der Kunststoffschicht und damit der Bildröhre negativ beeinträchtigt werden. Um diese Nachteile zu vermeiden, hat es auch verschiedene Versuche gegeben, eine kratzfeste Dünnglasscheibe auf einen Flachbildschirm aufzukleben. Nichtsdestoweniger ist in beiden Fällen ein zusätzlicher Verfahrensschritt bei der Herstellung der Bildröhren notwendig, was die Gesamtkosten des Systems erhöht. Ferner ist es auch schwieriger, derartige Verbund-Bildröhren wiederzuverwerten. Es ist aus Umweltschutz-Gründen zu bedenken, daß einige der benutzten Kunststoffe oder Kleber Probleme verursachen können, wenn sie nicht von der Bildröhre entfernt werden, bevor diese zum Zwecke des Wiederverwertens in Scherben zerkleinert wird. Mit Kunststoff- oder Kleberresten versehene Scherben könnten nämlich den Anteil an korrosiven oder toxischen Komponenten im Abgas der Glas-Schmelzwanne beim Einschmelzen der Scherben erhöhen.
Man ist daher insbesondere bei Flachbildschirmen einen anderen Weg gegangen, bei dem der Bildschirm bei seiner Herstellung gezielt thermisch vorgespannt wird, um die Bruchfestigkeit des Glases zu erhöhen.
Die Erhöhung der Bruchfestigkeit von Glas durch thermisches Vorspannen ist an sich seit langem bekannt. Es wird hierzu beispielhaft auf den Aufsatz von Werner Kiefer, "Thermisches Vorspannen von Gläsern niedriger Wärmeausdehnung" erschienen in Glastechnische Berichte 51 (1984), Seiten 221 - 228, Bezug genommen. Danach entsteht die Vorspannung beim Abschrecken des Glaskörpers durch das Einfrieren der oberflächennahen Schichten und die daraus resultierende Behinderung der Volumenkontraktion des noch plastischen Inneren beim weiteren Abkühlen.
Um eine implosionssichere Bildröhre herzustellen, genügt es jedoch nicht, einfach eine Druckspannungs-Schicht in der Glasoberfläche vorzusehen. Es kommt vielmehr maßgebend auf den Verlauf des Spannungsprofils über die Dicke sowie die Spannungsverteilung innerhalb des Bildschirmes an, die neben den physikalischen Eigenschaften des jeweils verwendeten Glases sowohl von dem absoluten Wert der Temperatur als auch von der größten Temperaturdifferenz zwischen Außen- und Innenseite des Bildschirmes sowie der zeitlich-lokalen Einbringung abhängen.
Unter normalen Umständen ist die durch das Tempern erreichbare Dicke einer Oberflächen-Druckspannungsschicht grundsätzlich immer größer als 1/10 der Bildschirmdicke.
Bei einem Bildschirm entstehen beim Abkühlen typischerweise sowohl an seiner Außenseite als auch an seiner Innenseite jeweils eine unter Druckspannung stehende OberflächenSchicht mit einer dazwischenliegenden, unter Zugspannung stehenden Schicht. Das Niveau der Spannungen nimmt dabei zum Rand des Bildschirmes, d.h. zum umlaufenden, abgewinkelt angeformten Steg hin ab.
Es gibt zwei grundsätzliche, bekannte Möglichkeiten, eine permanente, mechanische Spannung (Vorspannung) auf thermischem Wege in einen Bildschirm einzubringen.
Eine dieser Möglichkeiten beschreibt die US 2,991,591. Nach dem Pressen des Glaspostens wird der so geformte Bildschirm unterschiedlich abgekühlt, indem ausgewählte Bereiche des Bildschirmes gezielt mit vorgeheizter Luft von 100° C - 400° C angeblasen werden, so lange die Temperatur im Innern des Bildschirmes gut oberhalb der Glas-Transformationstemperatur TG liegt. Die Verwendung von Blas-Luft für das unterschiedliche Tempern von Teilen eines Glaskörpers ist ohnehin übliche Praxis bei der Flachglas- und Hohlglas- Herstellung.
Während des nachfolgenden Entspannungsschrittes wird die sich sonst einstellende Restspannung auf einen akzeptablen Wert erniedrigt. Dies erfolgt dadurch, indem zunächst die Bildschirmtemperatur für eine bestimmte Zeitdauer nahe der Transformationstemperatur gehalten wird, um eine homogene Durchwärmung (das sogenannte "soaking"), zu erzielen, und um gleichzeitig überschüssige Spannungen zu entfernen, und indem danach der Bildschirm mit einem Temperaturgradienten zwischen 3 K/min bis zu 10 K/min, abhängig von der Dicke und der Temperatur des Glasteiles, auf Raumtemperatur abgekühlt wird. Dadurch entstehen, wie in den Diagrammen der US 2,991,591 dargestellt, im Bildschirm an seinen beiden Oberflächen je eine Druck-Spannungsschicht, die mehr als 1/10 der Bildschirmdicke beträgt, und eine Zugspannungsschicht, die zwischen den beiden Druckspannungsschichten liegt. Die Druckspannung im Bereich der Abbiegung des Steges (Übergangsbereich) beträgt dabei etwa die Hälfte der Druckspannung im Zentrum der Frontscheibe des Bildschirmes.
Eine gezielte Behandlung des Bildschirmes zur Verminderung des Schrumpfes bei thermischer Nachbehandlung wird in der vorgenannten Schrift nicht angesprochen.
Eine zweite Möglichkeit, eine permanente mechanische Vorspannung in einem Bildschirm zu erzeugen, wird in der US 4,566,893 beschrieben, bei der es auf die Erzeugung einer hohen Oberflächen-Druckspannung im Bildschirm mit gleichzeitig niedrigem Schrumpf des Bildschirmes bei thermischer Nachbehandlung ankommt. Bei diesem bekannten Verfahren wird der gepreßte und auf etwa 400 °C anfangsgekühlte Bildschirm in der ersten Entspannungsstufe wieder erwärmt und für eine Zeitdauer von 30 bis 40 min auf einer im wesentlichen konstanten Soak-Temperatur von 470° C + 10 K gehalten mit dem Ziel, die Dichteänderung und somit den Schrumpf bei einer thermischen Nachbehandlung des Bildschirmes zu minimieren. Nach dieser Phase des Durchwärmens und Haltens erfolgt auf übliche Weise das Abkühlen auf Raumtemperatur mit einem Temperaturgradienten von 10 K/min oder höher.
Wenngleich über die Verteilung der Spannungen im Bildschirm nichts näheres ausgesagt ist, so ergibt sich diese indirekt aus der in der vorgenannten Schrift angegebenen Bildschirmgeometrie im Zusammenhang mit der dargestellten Kühlkurve. Danach können sehr hohe Oberflächenspannungen bei gleichzeitig niedrigen Restspannungen in der Lötkante bei diesem Verfahren nicht eingestellt werden.
Die US 5,445,285 beschreibt eine Bildröhre, deren Glaswandungen thermisch vorgespannt sind. Es werden dabei Beziehungen angegeben, die den Zusammenhang zwischen der maximalen Oberflächen-Zugspannung unter statischer Vakuumlast, der Glas-Bruchfestigkeit und der erforderlichen Höhe der Druckspannung an der Oberfläche des Glaskörpers für eine implosionssichere Bildröhre aufzeigen sollen. Hieraus wird die aus der erstgenannten US-PS 2,991,591 bereits bekannten Idee, entwickelt, die Bereiche des Bildschirmes, an deren Oberfläche unter Vakuumlast erhebliche Zugspannungen auftreten, zur Kompensation thermisch vorzuspannen. Durch stärkere Kühlung der Frontscheibe stellt sich dort eine höhere Druckspannung als im Steg ein; die Höhe der Vorspannung im Steg ist im Vergleich zur Frontscheibe um bis zu 50 % niedriger. Nichtsdestoweniger sind die beschriebenen Beziehungen und Bedingungen nicht ausreichend, um eine auch unter dynamischer Last (Schlag, Stoß) implosionssichere Bildröhre zu beschreiben.
Die US 5,536,995 (und die zugehörige Reissue Schrift Nr. 36,838) beschreiben einen thermisch vorgespannten Bildschirm mit je einer Druckspannungsschicht an der Innen- und Außenfläche, deren Dicke mindestens 1/10 der Dicke der Frontscheibe in seinem zentralen Bereich beträgt. Diese Mindestdicke stellt sich jedoch in bekannter Weise stets beim Abkühlen von Bildschirmen ein, insbesondere wenn sie mit einem Standard- Kühlprogramm oder dem Kühlprogramm nach der zitierten US 2,991,591 entspannt werden. Die angegebenen Relationen finden sich daher auch bereits bei gut entspannten Bildschirmen für Farbbildröhren, die seit Ende der 70-er Jahre im allgemeinen Gebrauch sind, wieder, wobei auch bei den Bildschirmen dieser Farbbildröhren, wie allgemein üblich, der Krümmungsradius der Innenfläche der Frontscheibe kleiner ist als der Krümmungsradius der Außenfläche. Der offenbarte Wert der Dru( kspannung von mindestens 5,9 MPa an der Schirmoberfläche ist darüber hinaus auch in Kombination mit der vorbeschriebenen Spannungsverteilung und Geometrie für eine implosionssichere Bildröhre unter dynamischer Last nicht ausreichend.
In der US 5,925,977 wird eine Bildröhre mit einem thermisch vorgespannten Bildschirm beschrieben, bei dem die maximale Wandstärke tF der Frontscheibe für mindestens eine der langen bzw. kurzen Achsen des Bildschirmes in Bezug auf die maximale Wandstärke tR im Übergangsbereich zum Steg der Beziehung
1.0 < tR/tF ≤ 1,4
genügen soll, was generell auch für die meisten der üblichen Bildschirmgeometrien erfüllt ist.
Der absolute Wert der Oberflächen-Druckspannungen in den Bildschirmbereichen, in denen die maximalen Zugspannungen unter Vakuumlast auftreten, soll im Bereich von 7 bis zu 30 MPa liegen. Derartige hohe Oberflächen-Druckspannungen führen jedoch auch zu hohen Zugspannungen im Bereich der Mittelschicht des Bildschirmes, deren Wert in etwa halb so hoch wie der Absolutwert der Oberflächen-Druckspannung ist. Als Folge hiervon kann bei zu hohen Zugspannungen während einer Implosion ein unerwünschtes nicht beherrschbares Bruchverhalten ("dicing") auftreten, bei dem kleine Teile aus dem Bildschirm herausgelöst und mit hoher Geschwindigkeit in Richtung des Betrachters geschleudert werden. Um dies zu vermeiden, sollten die Zugspannungen in der Mittelschicht der fertigen Bildröhre stets unter 10 MPa gehalten werden. In der DE 197 58 060 AI schließlich wird ein Verfahren zur Erzielung einer Vorspannung beschrieben, bei dem nach dem Pressen und Entformen des Bildschirmes eine Vorspannung im Randbereich der Frontscheibe durch gezieltes Anblasen mit vorgewärmter Luft eingebracht wird. Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß hierzu eine Zusatzeinrichtung erforderlich ist, welche an die jeweilige Geometrie des zu behandelnden Bildschirmes angepaßt und gegen dieses ausgerichtet werden muß. Zudem ist ein Abschirmen der Bereiche, welche zur Vermeidung von Bruch nicht angeblasen werden dürfen, in Einzelfällen notwendig. Die erzielbaren, hohen Vorspannungen führen bei ungenügender Nachkühlung, welche die maximal auftretenden Zugspannungen in der Mittelschicht auf ein akzeptables Maß herabsenkt, wie zuvor beschrieben im Versagungsfall zu einer Vielzahl von relativ kleinen Splittern.
Entsprechendes gilt für die in der US 5,536,995 beschriebenen Verfahren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen thermisch vorgespannten Bildschirm für eine Kathodenstrahlröhre, vorzugsweise einen solchen, bei dem die Außenflächen der Frontscheiben im wesentlichen flach ist und bei dem die Gesamtdickenänderung über die Schirmfläche minimiert ist, um Helligkeitsunterschiede zwischen dem zentralen Bereich und dem peripheren Bereich zu reduzieren, zu schaffen, sowie das Verfahren zu seiner Herstellung so zu führen, daß er eine höhere Implosionssicherheit auch unter dynamischer Last als die bekannten Bildschirme aufweist bei gleichzeitig geringerem Schrumpf bei thermischer Nachbehandlung.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt ausgehend von einem vorgespannten Bildschirm für Kathodenstrahlröhren mit definierter Verteilung von Oberflächen-Druckspannungen, bestehend aus einer im wesentlichen rechteckigen Frontscheibe mit umlaufend winklig angeformtem Steg, der mit einer Lötkante abschließt dadurch, daß die Höhe der Oberflächendruckspannung auf der Außenseite der Frontscheibe in einem Bereich mit einem unteren Wert von 4 MPa liegt und der Schrumpf bei thermischer Nachbehandlung unter 110 ppm liegt.
Verfahrensmäßig gelingt die Lösung der Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Herstellen thermisch vorgespannter Bildschirme für Kathodenstrahlröhren bestehend aus einer im wesentlichen rechteckigen Frontscheibe mit umlaufend winklig angeformtem Steg, der mit einer Lötkante abschließt, durch eine Preß-Heißformgebung des jeweiligen Bildschirmes aus einem schmelzflüssigen Glasposten mit einem anfänglichen Kühlschritt, dem sich ein mehrstufiger Entspannungsprozeß unter Abkühlung des jeweils mit der Lötkante auf einem Transportband liegenden Bildschirmes anschließt, mit den Schritten:
Verpressen des Glaspostens unter erhöhter definiert eingestellter Wärmeabfuhr durch Kontaktkühlung mittels eines mehrteiligen Preßwerkzeuges im Randbereich der Frontscheibe und Kühlen der Innenseite des noch in der Preß-Form befindlichen Bildschirmes nach Entfernen des Preß-Stempels durch eine erzwungene verstärkte Umluftkühlung, bis eine Temperatur unter (TG + 150 K) erreicht wird,
Wiedererwärmen des mit PIN's zum Halten der Lochmaske versehenen und mit der Öffnung nach unten auf dem Transportband liegenden Bildschirmes auf eine Temperatur oberhalb der Transformationstemperatur TG,
gleichmäßiges Durchwärmen des Bildschirmes für eine vorgegebene Zeit bei dieser Temperatur, Schnellkühlen des Bildschirmes auf eine Temperatur, die im Bereich von etwa 80 - 120 K unterhalb der Transformationstemperatur liegt,
Feinkühlen des Bildschirmes bei der abgesenkten Temperatur für eine vorgegebene Zeitdauer zur Senkung des Schrumpfes bei thermischer Nachbehandlung unterhalb 110 ppm, und
Abkühlen des Bildschirmes auf Raumtemperatur.
Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen kann ein thermisch vorgespannter Bildschirm mit einer definierten Spannungsverteilung geschaffen werden, welcher vergleichsweise hohe Oberflächen-Druckspannungen bei gemäßigten Restspannungen in der Lötkante sowie eine gemäßigte Änderung der Glasdichte bei thermischer Nachbehandlung aufweist.
Das erfindungsgemäße Verfahren reduziert dabei auch die Schrumpfung und Verformung des Bildschirmes während der Wiedererwärmphasen bei der Herstellung der komplettierten Bildröhre. Daher können sowohl die Dichteänderungen als auch die Differenzen in der Dichteänderung im Bildschirm minimiert werden.
Um eine hohe Bruchfestigkeit unter dynamischer Last zu erreichen, sind die Drucksparmungsschichten in der komplettierten Bildröhre so gleichmäßig und so symmetrisch wie möglich verteilt. Zur Erhöhung der Sicherheit im Versagensfall ist die Druckspannung auf der Innenfläche des Bildschirmes gleich oder größer als diejenige auf der Bildschirm-Außenseite. Dies ist vor allem in den Bereichen des Glas-Bildschirmes der Fall, die am nächsten zu den Randbereichen und dort insbesondere zu den Eckbereichen, also im Übergang von Frontscheibe zum Steg, liegen. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt die Erzeugung einer vorgegebenen Spannungsverteilung im Bildschirm ohne zusätzliche Mittel in einem vorgegebenen Prozeß allein durch ein wärmeoptimiertes Preß-Werkzeug in Verbindung mit einer gezielten Temperaturführung während des Abkühlprozesses im Kühlband. Es kann somit ein inhärent stabiler Prozeß unter Vermeidung von Mitteln, die einer Änderung über die Zeit ausgesetzt sind, die sorgfältig eingestellt und justiert werden müssen oder die hochentwickelte Eimichtungen gegen Neigungen zu Fehlern und zur Steuerung erfordern, erzielt werden.
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 in drei verschiedenen Figurenteilen A - C schematisch drei verschiedene Möglichkeiten zur Wärmeoptimierung eines Preßstempels für Bildschirme, der nur ausschnittsweise dargestellt ist,
Figur 2 in vier verschiedenen Figurenteilen A - D schematisch vier verschiedene Möglichkeiten zur Wärmeoptimierung einer Preß- Form für Bildschirme, die ebenfalls nur ausschnittsweise dargestellt ist, und
Figur 3 ein Temperatur/Zeitdiagramm mit einer bevorzugten Kühlkurve für die Temperaturbehandlung eines heißgeformten Bildschirmes und Figur 4 in einer Blockschaltbild-Darstellung die Hauptverfahrensschritte für die Herstellung einer Bildröhre.
Die Figur 1 zeigt in drei verschiedenen Figurenteilen A, B und C ausschnittsweise drei Ausführungsformen eines wasser- oder ölgekühlten, wärmeoptimierten Preß-Stempels 1 und in Figur 2 ebenfalls in drei verschiedenen Figurenteilen A, B, C ausschnittsweise drei Ausführungsformen einer gekühlten, wärmeoptimierten Preß-Form 2 für die Heißformgebung eines Bildschirmes. Sowohl der Preß-Stempel als auch die Preßform besitzen eine definierte Materialkombination und/oder Wandstärkenverteilung, um auf diese Weise eine Wärmeoptimierung des Wärmeentzugs beim Werkzeugkontakt mit dem heißgeformten Bildschirm zu erzielen. Diese Wärmeoptimierung erfolgt in der Weise, daß der Preß-Stempel und die Preß-Form so ausgebildet sind, daß in den Bereichen, in denen eine höhere Druckspannung in der Oberfläche des Bildschirmes aufgebaut werden soll, auf definiertem Wert eine größere Wärmemenge von dem Bildschirm abgeführt wird, um auf diese Weise eine höhere Temperaturdifferenz zu der mittleren Glasschicht im Bildschirm zu erzielen.
Neben der geeigneten Materialkombination und Wandstärkenverteilung spielt die Kontaktzeit des Preß-Stempels mit dem heißgeformten Bildschirm als auch seine Verweildauer in der Preß-Form eine wesentliche Rolle und die daher entsprechend abgestimmt fein eingestellt werden.
Die Ausführungsformen nach den Figurenteilen A und B der Figur 1 zeigen eine Wärmeoptimierung des Preß-Stempels durch eine unterschiedliche Wandstärkenverteilung, und zwar im Figurenteil A in der Weise, daß im Randbereich eine Vertiefung 3 in der Wandung des Preß-Stempels ausgebildet ist. Im Bereich dieser Vertiefung kann daher die Wärme von dem unter dem (innen gekühlten) Preß-Stempel 1 befindlichen Bildschirm stärker abgeleitet werden. Bei der zweiten Ausführung nach dem Figurenteil B wird die unterschiedliche Wandstärkenverteilung in der Weise erreicht, daß innen auf dem Preß- Stempelboden la eine zusätzliche Platte lb aufgebracht, z.B. aufgeschraubt, ist.
Die Ausführungsform nach dem Figurenteil C zeigt eine Wärmeoptimierung des Preß-Stempels 1 durch unterschiedliche Materialien mit unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit. Mit Ausnahme des Eckbereiches ist der Preß- Stempelboden la, der aus einem Standard- Werkstoff besteht, innen mit einer Schicht (Lage) lc aus einem Werkstoff mit geringerer Wärmeleitfähigkeit belegt, so daß die Wärmeleitfähigkeit und damit der Wärmeentzug in den Eckbereichen größer ist.
Auch eine Kombination der Maßnahmen nach den Figurenteilen A, B bzw. jeweils in zusätzlicher Kombination mit der Maßnahme nach Figurenteil C, ist möglich.
Die Figur 2 zeigt in entsprechender Weise in vier Figurenteilen A, B, C und D vier verschiedene Möglichkeiten zur Wärmeoptimierung der Preß-Form 2, wobei auch hier eine Kombination der entsprechenden Maßnahmen möglich ist.
Bei der Maßnahme nach Figurenteil A ist im Eckbereich der Preß-Form 2 ein Kühlrohr symbolisch angedeutet, das den Eckbereich stärker als den Zentral- Bereich des Bildschirmes kühlt. Bei der Ausführungsform nach dem Figurenteil B erfolgt die Wärmeoptimierung durch die Variation der Materialstärke in Form einer Ausnehmung 5 im Eckbereich, was ebenfalls zu einer besseren Wärmeabfuhr in diesem Bereich beiträgt.
Die Figur 2C zeigt entsprechend der Figur IC eine Ausführungsform, bei der im Formboden 2b innerseitig eine Schicht 2a aus weniger wärmeleitendem Material bündig eingebettet ist. Die Figur 2 D zeigt eine Lösung der Wärmeoptimierung, bei der die Schicht 2 a aus weniger leitendem Material auf der Außenseite des Formbodens 2 b eingebettet ist.
Andere Möglichkeiten zur Wärmeoptimierung der Form sind möglich und bleiben dem Fachmann von Fall zu Fall vorbehalten.
Durch diese Wärmeoptimierung des Preß-Stempels und der zugehörigen Preß- Form in den Eckbereichen ist es möglich, in den Randbereichen des Bildschirmes, in denen beim und nach dem Evakuieren der Bildröhre die größten Zugspannungen auftreten, gezielt entsprechend hohe Oberflächen- Druckspannungen ohne Zusatzeinrichtungen aufzubauen.
In den Figuren 3 und 4 ist der erfindungsgemäße Verfahrensablauf zum Herstellen der vorgespannten Bildschirme in Form einer der Kühlkurve und der Hauptverfahrensschritte dargestellt. Die Kühlkurve zeigt dabei den zeitlichen Verlauf der Temperatur an der Bildschirm-Oberfläche während der Heißformgebung und anschließenden Kühlung des Bildschirmes.
Zu Beginn des Herstellvorganges wird jeweils ein etwa 1000°C heißer Glasposten in die wärmeoptimierte Preß-Form mit einer definierten Materialkombination und Wandstärkenverteilung nach Figur 2 sowie aufgesetztem Ring gegeben. Als Glasmaterial wird vorzugsweise Glas eingesetzt, das unter dem Schott-Kode 8056 bekannt ist und das typischerweise zum Herstellen von Bildschirmen verwendet wird. Danach wird der gekühlte, wärmeoptimierte Preß-Stempel mit definierter Materialkombination und Wandstärkenverteilung nach Figur 1, in die Preß-Form 2 eingeführt und der schmelzflüssige Glasposten in die Form eines Bildschirmes verpreßt. Dabei erfolgt sowohl an der Innenseite als auch an der Außenseite des Bildschirmes eine Kontaktkühlung durch den Preß-Stempel und die Preß-Form mit unterschiedlicher Wärmeabfuhr. Wenn diese Heißformgebung abgeschlossen ist, wird der Preß-Stempel zurückgezogen. Um ein Wiederaufheizen der Oberfläche des Bildschirmes zu vermeiden, und diesen zur Erreichung der Formstabilität bis zum Entformen weiter abzukühlen, wird die Außenseite des Bildschirmes durch Kontaktkühlung mit der Preß-Form und die Innenseite des Bildschirmes durch verstärkte, erzwungene Konvektion gekühlt. Diese Umluftkühlung erfolgt so lange, bis die Oberfläche des Bildschirmes eine Temperatur gut unter (TG + 150 K) erreicht.
In diesem Zustand hat der Bildschirm neben der Formstabilität für das Entformen die gewünschte anfängliche Temperaturverteilung für die spätere Wärmebehandlung, nämlich eine hohe Temperaturdifferenz zwischen der mittleren Schicht und der Außenseite des Bildschirmes in den Bereichen, in denen anschließend eine hohe Oberflächen-Druckspannung erreicht werden soll.
Dieser zeitliche Verfahrensschritt des Pressens und des Kühlens in den Figuren 3 und 4 ist mit "I" bezeichnet.
Im anschließenden Verfahrensschritt II erfolgt ein Transportieren der Bildschirme bei freier Konvektion und variabler Transportzeit zu einer Station, in der die sogenannten Pins für die spätere Lochmasken-Halterung in dem Bildschirm verankert werden, wobei die Verweilzeit in der Station variabel ist bei freier Konvektion.
Nach dem Verfahrensschritt II des Pinnens werden die Bildschirme mit der Lötkante, d.h. der Öffnung nach unten auf ein Transportband gelegt und in einen Kühlofen transportiert.
Um überschüssige Spannungen abzubauen und um Temperaturdifferenzen zwischen den einzelnen Bildschirmen zu egalisieren, die durch unterschiedliche Verweilzeiten außerhalb des Kühlbandes entstehen können, werden in einem ersten Verfahrensschritt III die Bildschirme in weniger als 5 min auf eine Temperatur leicht oberhalb der Transformationstemperatur TG wiedererwärmt. Dies erfolgt vorzugsweise durch eine Kombination von definierter Strahlungs- und verstärkter Umluftbeheizung, wobei das Innere der dickeren Bereiche des Bildschirmes bevorzugt erwärmt wird. Auch andere Methoden der Wiedererwärmung, etwa der Einsatz von Mikrowellen, sind denkbar.
Die Bildschirme werden dann für die Zeitdauer IV unter Verwendung der oben genannten Beheizungskombination auf der erhöhten Temperatur gehalten, um eine gleichmäßige Durchwärmung ("soaking"), des Bildschirmes zu erzielen. Im nächsten Schritt V erfolgt eine Schnellkühlung, das sogenannte "quenching". Diese wird vorzugsweise dadurch bewirkt, daß die Temperatur der für die Umluftheizung verwendete Luft rapide, d.h. in wenigen Minuten, beispielsweise in 6 min, auf eine Temperatur von ca. (TG - 100 K) ± 25 K abgesenkt wird, um den Spannungsabbau in den Bildschirmen zu verlangsamen und eine Temperaturdifferenz von mindestens 15 K zwischen der Außen- und Innenseite des Bildschirmes zu erhalten. Hierbei sind auch andere Kombinationen aus Heiz- und Kühlmethoden mit dem Ziel, die Temperaturdifferenz einzustellen, denkbar.
Im Verfahrensschritt VI erfolgt eine Feinkühlung der weiterhin auf dem Kühlband durch den Kühlofen laufenden Bildschirme zur Einstellung der maximalen Glasdichteänderung bei der thermischen Nachbehandlung, der sogenannten "Compaction". Dazu werden die Bildschirme bis zu 60 min auf einer Temperatur von (TG - 80 K) + 15 K gehalten, um die Compaction auf einen Wert gut unter 110 ppm zu erniedrigen, gemessen auf der Basis eines vom Bildröhrenhersteller vorgegebenen Temperatur-/Zeitverlaufes, vorzugsweise erfaßt durch die dabei auftretende Längenänderung einer stabförmigen Glasprobe. Im abschließenden Verfahrensschritt VII werden dann die Bildschirme auf übliche Weise auf Raumtemperatur abgekühlt.
Die so hergestellten Bildschirme werden anschließend unter Verbindung (Löten, Fritten) mit dem Bildröhrentrichter und Ansetzen des Bildröhren- Halses an den Trichter in bekannter Weise gemäß den in Figur 4 gezeigten Schritten zu der Bildröhre komplettiert, die später mit dem Spannband, dem sogenannte "Rimband" ummantelt wird.
Die nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellten Bildschirme weisen neben einem moderaten Schrumpf bei einer thermischen Nachbehandlung eine ausreichend hohe Oberflächen-Druckspannung auf, die an der Innenseite des Bildschirmes größer ist als an seiner Außenseite. Die erhaltenen Spannungsschichten haben eine substantiell gleichförmige Dicke, wodurch Bereiche mit Zugspannungen auf der Bildschirm-Innenseite nahe den Ecken im Übergang von der Frontscheibe zum Steg vermieden werden. Diese Bereiche mit Zugspannung werden oft festgestellt, wenn durch ein reines Abkühlen oder ungeeignetes Anblasen hohe Oberflächen-Druckspannungen im Bildschirm aufgebaut werden. Sie sind Störfaktoren hinsichtlich der Implosionssicherheit der späteren Bildröhre.
Durch die erfindungsgemäße thermische Behandlung kann in der Abkühlphase zudem eine meßbare Verwerfung des Bildschirmes, welche zu einer Abweichung von der geforderten Innenkontur führt, vermieden werden.
Überraschenderweise kann bei der Herstellung der Bildröhre, abgesehen von der Verschiebung der Spannungsverteilung infolge der Vakuumlast und dem Spannband, keine substantielle Änderung der Spannungen in der Oberfläche beobachtet werden.

Claims

Patentansprüche:
1. Thermisch vorgespannter Bildschirm für Kathodenstrahlröhren mit definierter Verteilung von Oberflächen-Druckspannungen, bestehend aus einer im wesentlichen rechteckigen Frontscheibe mit umlaufend winklig angeformtem Steg, der mit einer Lötkante abschließt, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Oberflächendruckspannung auf der Außenseite der Frontscheibe in einem Bereich mit einem unteren Wert von 4 MPa liegt und der Schrumpf bei thermischer Nachbehandlung unter 110 ppm liegt.
2. Bildschirm nach Anspruch 1, bei dem die Höhe der Oberflächen- Druckspannungen (S) auf der Außenseite der Frontscheibe in einem Bereich mit einem unteren Wert von 4 MPa liegt und für die Oberflächen-Druckspannungen insbesondere in den Eckbereichen die Beziehung gilt: 0,9 Sinnen < Saußen < 1,5 Siπnen.
3. Bildschirm nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Höhe der Oberflächen-Druckspannung auf der Außenseite der Frontscheibe in einem Bereich mit einem unteren Wert von 4 MPa liegt und die integral gemessene Spannung der Lötkante unter 8 MPa/cm liegt.
4. Bildschirm nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Höhe der Oberflächen-Druckspannungen auf der Außenseite der Frontscheibe in einem Bereich mit einem unteren Wert von 4 MPa liegt und die maximale Zugspannung im Inneren des Übergangsbereiches zum Steg unter 12 MPa liegt.
5. Bildschirm nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Oberflächen-Druckspannungen auf der Außenseite der Frontscheibe in einem Bereich mit einem unteren Wert von 4 MPa liegt und die in der Frontscheibe gemessene Membranspannung höchstens 25% der maximalen Oberflächen-Druckspannung beträgt, aber 2 MPa nicht übersteigt.
6. Verfahren zum Herstellen thermisch vorgespannter Bildschirme für
Kathodenstrahlröhren bestehend aus einer im wesentlichen rechteckigen Frontscheibe mit umlaufend winklig angeformtem Steg, der mit einer Lötkante abschließt, durch eine Preß-Heißformgebung des jeweiligen Bildschirmes aus einem schmelzflüssigen Glasposten mit einem anfänglichen Kühlschritt, dem sich ein mehrstufiger Entspannungsprozeß unter Abkühlung des jeweils mit der Lötkante auf einem Transportband liegenden Bildschirmes anschließt, mit den Schritten:
Verpressen des Glaspostens unter erhöhter definiert eingestellter Wärmeabfuhr durch Kontaktkühlung mittels eines mehrteiligen Preßwerkzeuges im Randbereich der Frontscheibe und Kühlen der Innenseite des noch in der Preßform befindlichen Bildschirmes nach Entfernen des Preßstempels durch eine erzwungene verstärkte Umluftkühlung, bis eine Temperatur unter (TG + 150 K) erreicht wird,
Wiedererwärmen des mit PIN's zum Halten der Lochmaske versehenen und mit der Öffnung nach unten auf dem Transportband liegenden Bildschirmes auf eine Temperatur oberhalb der Transformationstemperatur TG,
gleichmäßiges Durchwärmen des Bildschirmes für eine vorgegebene Zeit bei dieser Temperatur, Schnellkühlen des Bildschirmes auf eine Temperatur, die im Bereich von etwa 80 - 120 K unterhalb der Transformationstemperatur liegt,
Feinkühlen des Bildschirmes bei der abgesenkten Temperatur für eine vorgegebene Zeitdauer zur Senkung des Schrumpfes bei thermischer Nachbehandlung unterhalb 110 ppm, und
Abkühlen des Bildschirmes auf Raumtemperatur.
7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das Wiedererwärmen durch eine Kombination aus Strahlungs- und Umluftheizung in weniger als 5 min erfolgt.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, bei dem das Wiedererwärmen im Innern des Bildschirmes erfolgt, mit bevorzugter Erwärmung der Teile des Bildschirmes mit größerer Wandstärke.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem das gleichmäßige Durchwärmen durch Umspülen des Bildschirmes mit 200° bis 400 °C heißer Luft für eine Zeitdauer bis zum 15 min, bevorzugt 10 min, erfolgt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, bei dem das Schnellkühlen durch eine rapide Absenkung der Temperatur der Umluft erfolgt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, bei dem das Feinkühlen in einer Zeitspanne von 35 bis 60 min erfolgt.
2. Kathodenstrahlröhre mit einem Bildschirm nach einem der Ansprüche 1 bis 5, hergestellt nach einem der Ansprüche 6 bis 11, und einem damit luftdicht verbundenen Trichter, an dem ein Hals für das Kathodenstahlsystem angeschmolzen ist.
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