DE10113156A1 - Cathode ray tube having a frame/mask assembly - Google Patents

Abstract

Kathodenstrahlröhre mit einer Farbauswahlmaske (2) aus einem gespannten Material mit einem relativ niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, getragen durch einen Rahmen (1) aus einem Material mit einem höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten. Entlang wenigstens zwei Seiten (4) des Rahmens (1) liegen zwei Metalleinsätze (10) aus einem Material, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient ähnlich zu dem der Maske ist. Die Einsätze sind an den gegenüberliegenden Seitens des Rahmens an ihrer Mitte (7) befestigt, und die Maske ist an die Einsätze (10) angeschweißt. Die mechanischen Probleme durch die Unterschiede in den Ausdehnungen der die Maske (2) und den Rahmen (1) bildenden Materialien während der Herstellungsschritte der Röhre mit hoher Temperatur werden vermieden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Farbkathodenstrahlröhre und insbesondere die Einrichtung mit der Rahmen/Farb-Auswahlmaske innerhalb des Glaskolbens der Röhre. Die Erfindung ist in jedem Röhrentyp mit einer Farbauswahlmaske anwendbar und ist insbesondere für Röhren vorgesehen, deren Maske durch den Rahmen, an dem sie befestigt ist, unter Spannung gehalten wird.

Bekannte Kathodenstrahlröhren enthalten eine Farbauswahlmaske in einem genauen Abstand zu der Innenseite der Glas-Schirmträgerplatte der Röhre. Auf der Schirmträgerplatte sind Reihen von roten, grünen und blauen Leuchtstoffen aufgebracht. Unter dem Einfluß von drei Elektronenstrahlen, von denen jeder einer bestimmten Primärfarbe entspricht, ermöglichen die Reihen von Leuchtstoffen die Wiedergabe von Bildern auf dem Schirm, wobei die Maske bewirkt, daß jeder bestimmte Strahl nur die Leuchtstoffe der entsprechenden Farbe anregt oder zum Leuchten bringt.

Die Farbauswahlmaske muß während des Betriebs der Röhre in einer genauen Lage innerhalb der Röhre angeordnet sein und gehalten werden. Die Aufgabe der Halterung erfolgt durch einen im allgemeinen sehr starren rechteckförmigen Metallrahmen, an den die Maske in bekannter Weise angeschweißt ist. Die Rahmen/Masken-Anordnung ist in der Schirmträgerplatte der Röhre durch elastische Haltemittel befestigt, die wenigstens drei an den Rahmen angeschweißte Metallteile enthalten, wobei jedes der Teile ein federartiges und geöffnetes Ende aufweist, das in einen der zu der Glas-Schirmträgerplatte gehörenden Metallstege eingreift. In bekannter Weise werden zwei Anordnungen von Stützmitteln benötigt, entweder in den Mitten der Seiten des Rahmens oder an ihren Ecken.

Die derartige Tendenz für Röhren, deren Schirmträgerplatte immer flacher wird, geht in die Richtung von vollständig flachen Schirmträgerplatten. Die Herstellung von Röhren mit einer derartigen Schirmträgerplatte erfordert eine Technologie mit einer flachen Maske, die wenigstens in einer Richtung unter Spannung gehalten wird. Derartige Aufbauten sind zum Beispiel beschrieben in der US-4 827 179.

Die Farbauswahlmaske besteht aus einer Metallfolie sehr geringer Dicke, die im allgemeinen an einem Rahmen von nennenswerter mechanischer Festigkeit derart befestigt und durch diese vorgespannt ist, daß die Spannung der Maske während des Betriebs der Röhre aufrechterhalten bleibt.

Da die Maske mehr als die Hälfte der durch die Röhre während des Betriebs der Röhre durch die Elektronenkanone der Röhre emittierten Elektronen auffängt, steigt ihre Temperatur schnell an und bewirkt eine Ausdehnung von wenigstens bestimmten Bereichen der Maske. Das resultiert in einer Verringerung ihrer Spannung und somit ihrer Flachheit. Wenn die Maske nicht mehr flach ist, ergibt sich daraus, daß die Auftreffpunkte der drei Elektronenstrahlen auf den Schirm der Röhre nicht mehr den sogenannten ad hoc-Zeilen der Leuchtmaterialien entsprechen, wodurch eine Farbverfälschung des auf dem Schirm wiedergegebenen Bildes entsteht.

Eine erste Lösung besteht in der Anwendung einer Maske aus einem Material mit einem sehr geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten, wie zum Beispiel Invar, für das dieser Koeffizient in der Größenordnung von 1,25 10^-6/°C liegt. Die Maske dehnt sich dann während des Betriebs der Röhre nur sehr wenig aus und bildet dadurch eine Garantie für ihre Flachheit. Daher ist es möglich, eine relativ niedrige Maskenspannung anzuwenden, zum Beispiel in der Größenordnung von 5 kg/mm², um ihre Flachheit zu garantieren, ohne die Gefahr, daß sie während des Betriebs der Röhre locker wird. Der Metall-Stützrahmen hat daher eine mechanische Festigkeit entsprechend der angewendeten geringen Spannung.

Eine zweite Lösung besteht in der Anwendung einer Maske aus einem üblichen Stahl mit einem größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten in der Größenordnung von 1,5 10^-5/°C, der mit einer wesentlich größeren Spannung von möglicherweise bis zu dem Zehnfachen der Spannung flach gehalten werden muß, die für eine Invar- Maske angewendet werden muß. Das erfordert die Anwendung eines Halterahmens mit einer nennenswerten mechanischen Festigkeit, wobei diese mechanische Festigkeit des Rahmens durch einen nennenswerten Betrag von verwendetem Material erreicht wird. Diese Lösung hat die Nachteile hoher Materialkosten und hohen Gewichts.

Die Lösung mit der Anwendung einer Maske aus einem Material mit einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten enthält jedoch eine Anzahl von Nachteilen:

• - Die Spannungsmaske kann nicht direkt an den Rahmen angeschweißt werden, der sie unter Spannung hält, wenn die Maske nicht aus einem Material besteht, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient ähnlich zu dem der Maske ist, und sie kann insbesondere nicht aus einem üblichen Stahl bestehen. Das ist der Fall, weil während der Phasen des Herstellungsvorgangs der Röhre die Rahmen/Masken- Anordnung auf Temperaturen oberhalb 400°C ansteigt. Bei diesen Temperaturen kann der Unterschied in der Ausdehnung der Materialien, wo die Maske an den Rahmen angeschweißt ist, örtliche Fehlstellen der Schweißverbindung und somit örtliche und zufallsabhängige Änderungen in der Spannung der Maske verursachen. Diese Änderungen ergeben Farbfehler in dem auf dem Schirm der Röhre wiedergegebenen Bild.
• - Diese Lösung erfordert daher die Anwendung eines Rahmens und einer Maske, deren Wärmeausdehnungskoeffizienten ähnlich und gering sind, die zum Beispiel aus Invar bestehen. Jedoch ist dieses Material wesentlich kostenaufwendiger als ein üblicher Stahl, und zwar ungefähr dreimal kostspieliger, wodurch die Kosten des Rahmens und somit der hergestellten Bildröhre nennenswert ansteigen.

Es besteht somit ein Bedarf, die Anwendung einer Maske aus einem Material mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten zusammen mit einem Rahmen aus üblichem Stahl derart zu ermöglichen, daß eine Rahmen/Masken-Anordnung mit niedrigen Kosten und niedrigem Gewicht erreicht wird.

Um dies zu erreichen, enthält die Rahmen/Masken-Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung eine Farbauswahlmaske und einen im wesentlichen rechteckförmigen Metallrahmen, um die Maske zu tragen und sie in wenigstens in einer Richtung unter Spannung zu halten, wobei die Maske aus einem Material besteht, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient kleiner ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient des den größten Teil des Rahmens bildenden Materials. An wenigstens zwei einander gegenüberliegenden Seiten des Rahmens sind zwei Metalleinsätze angeordnet, die sich entlang der einander gegenüberliegenden Seiten erstrecken und an diesen befestigt sind, und die Metalleinsätze bestehen aus einem Material, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient ähnlich dem der Maske ist, und die Maske ist an dem Rahmen befestigt, zum Beispiel durch Anschweißen an die beiden Metalleinsätze.

Die Erfindung wird besser verständlich anhand der folgenden Beschreibung und der Figuren. In den Figuren

Fig. 1 zeigt eine dreidimensionale perspektivische Ansicht einer Rahmen/Masken-Anordnung gemäß dem Stand der Technik.

Fig. 2 zeigt eine perspektivische Schnittansicht eines Viertels der Rahmen/Masken-Anordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 3 zeigt einen Metalleinsatz, der als Schnittstelle zwischen dem Rahmen und der Maske dient.

Fig. 4 bis 6 zeigen Schnitte durch die Rahmen/Masken-Anordnung für verschiedene Ausführungsformen der Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine Rahmen/Masken-Anordnung gemäß dem Stand der Technik, wie sie in dem Patent GB 2 308 223 beschrieben ist. Die Richtungen X, Y bzw. Z zeigen die Richtungen entlang der horizontalen und vertikalen Achse und der Hauptachse der Röhre senkrecht zu der Oberfläche des Wiedergabeschirms. Der im wesentlichen rechteckförmige Rahmen 1 besteht aus zwei horizontalen langen Seiten 4 und zwei kurzen vertikalen Seiten 3. Der Rahmen 1 hält eine Farbauswahlmaske 2 unter Spannung entlang wenigstens einer der Richtungen, parallel zu den kurzen Seiten des Rahmens. Aufhänger 5 arbeiten mit Metallstegen zusammen, die in den Rand der Schirmträgerplatte der Kathodenstrahlröhre eingesetzt sind, um so die Rahmen/Masken-Anordnung in einem genauen Abstand zu dem Schirm der Röhre zu halten.

Die Qualität der Schweißverbindung der Maske 2 entlang den Kanten der Seiten 4 des Rahmens bildet die Garantie, daß die Spannung der Maske entsprechend Vorgabewerten aufrechterhalten wird, zum Beispiel mit einer höheren Spannung in der Mitte 7 der langen Seiten und einer niedrigeren Spannung am Ende 8 der Seiten 4. Die Änderungen in der Spannung entlang den Seiten 4 ist abhängig von der Größe des Rahmens sowie seiner Geometrie. Zum Beispiel muß eine Maske für eine Röhre mit einem Format von 16/9 aufgrund ihrer beträchtlichen Länge entlang der Horizontalachse X relativ zu ihrer Länge entlang der Vertikalachse Y in einer Spannung mit einem größeren Verhältnis ihrer Spannung in ihrer Mitte 7 zu ihrer Spannung an den Enden 8 gehalten werden als für eine Maske für eine Röhre mit dem Format 4/3. Das ist der Fall, um sicherzustellen, daß die Oberfläche der Maske in einem Nennabstand von dem Schirm der Röhre verbleibt, ohne in ihren Mitten 7 durchzuhängen.

Zur Vermeidung der Probleme bei der thermischen Ausdehnung der Maske während der Herstellungsschritte der Röhre und während ihres Normalbetriebs verwenden Konstrukteure bei der Herstellung der Maske Materialien mit einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Das auf diesem Gebiet am meisten verwendete Material ist Invar, das aus einer Eisen/Nickel-Legierung mit einem Anteil von etwa 36% Nickel besteht.

Außerdem hat die Tatsache der Anwendung einer aus einem Material wie Invar hergestellten Maske es bisher gefordert, daß der Materialbestandteil des Rahmens ebenfalls aus einem Material mit einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten besteht. Das ist der Fall, weil es schwierig ist, eine Maske aus Invar an einen Rahmen aus einem üblichen Stahl anzuschweißen. Darüber hinaus würden die sehr unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen der zwei Materialien die Festigkeit der Schweißvorgänge während der bei mehr als 400°C durchgeführten Bildröhrenherstellungsschritte gefährden und möglicherweise in dem Ausfall einiger von ihnen resultieren. Jedoch hat die Anwendung eines Invar-Rahmens zur Vermeidung der oben beschriebenen Nachteile den Hauptnachteil sehr hoher Kosten.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, die diesen Nachteil nicht aufweist.

Fig. 2 zeigt ein Viertel der Rahmen/Masken-Anordnung in Perspektive und im Schnitt. Die kurzen Seiten 3 des Rahmens haben einen L-förmigen Querschnitt mit einem auf den Schirm der Röhre gerichteten vertikalen Flansch 25 und einem horizontalen Flansch 24, die sich im wesentlichen parallel zu dem Schirm erstrecken. Ebenso haben die langen Seiten 4 einen horizontalen Flansch 15, der sich in Richtung des Schirms der Röhre erstreckt, und einen vertikalen Flansch 14, der sich in einer zu dem Schirm der Röhre im wesentlichen parallelen Ebene erstreckt. Der Rahmen besteht aus einem üblichen Stahl. Eine Maske 2 aus einem Material, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient kleiner als der des Rahmens ist, ist in wenigstens einer Richtung, zum Beispiel der Vertikalen Y, gespannt. Die langen Seiten 4 des Rahmens enthalten einen horizontalen Flansch 15. Dessen horizontale Kante 13 hat einen erweiterten Querschnitt zur Innenseite des Rahmens und eine im wesentlichen rechteckige Form. Ein Metalleinsatz 10, wie er zum Beispiel in den Fig. 3 und 4 dargestellt ist, mit einem konkaven Querschnitt, in diesem Fall annähernd U-förmig, bedeckt den Teil der sich zur Innenseite des Rahmens jeder der Kanten 13 der beiden Flansch 15 erweitert. Der Einsatz ist in der Mitte 7 jeder der einander gegenüberliegenden Seiten 4 befestigt, entweder durch eine Schweißnaht 17 oder eine Nietverbindung oder eine Schraubverbindung.

Das wesentliche Merkmal besteht darin, daß der Bereich der Verbindung mit der Seite des Rahmens eine geringe Länge relativ zu der Länge der Seite 4 aufweist. Die Enden 18 des Einsatzes, die sich um den Verbindungsbereich 7 erstrecken, können sich dann frei bewegen. Diese Bewegung ist jedoch in dieser Ausführungsform auf eine Verschiebung in der Ebene XY beschränkt, das heißt im wesentlichen parallel zu dem Schirm der Röhre, und zwar aufgrund der komplementären Formen der einander gegenüberliegenden Flächen der Kante 13 der Seite 4 des Rahmens und des Einsatzes 10. Die Kante 13 dient dabei als Führung für die Verschiebung des Einsatzes. Der Einsatz besteht aus einem Material mit einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, vorzugsweise gleich dem der Maske. Die Maske 2 ist unter Spannung entlang der Vertikalrichtung Y an die Außenkanten 12 des Einsatzes 10 angeschweißt. Die Spannung der Maske versucht, jedes Ende 18 des Einsatzes in der Ebene XY bis zu einer Gleichgewichtslage zu verschieben, die von dem mechanischen Krümmungswiderstand der Maske und der ursprünglichen Spannung der Maske abhängig ist.

Während der verschiedenen Herstellungsschritte der Röhre wird die Rahmen/Masken-Anordnung auf hohe Temperaturen gebracht. Der Einsatz und die Maske dehnen sich dann in derselben Weise aus, da sie aus Materialien mit ähnlichem thermischem Verhalten bestehen. Außerdem kann sich der Einsatz 10 auf beiden Seiten des Verbindungsbereichs 7 unabhängig von der Seite 4 des Rahmens ausdehnen. Dieser Verbindungsbereich muß sich über eine kleine Länge relativ zu der Länge der Seite 4 erstrecken, vorzugsweise über eine Länge, die 25% der Länge der Seite 4 nicht übersteigt. Auf diese Weise werden die Ausdehnungen des Rahmens und der Maske unabhängig voneinander ausgebildet. Der in den Fig. 2 und 3 und im Schnitt durch eine zu der Oberfläche der Maske in Fig. 4 senkrechte Ebene dargestellte Aufbau der Erfindung weist außerdem mehrere Vorteile auf:

• - Die Maske wird dadurch gespannt, daß eine gleiche Kraft über die Gesamtheit ihrer Enden 6 ausgeübt wird. Nach dem Verschweißen ihrer horizontalen Enden 6 an dem Einsatz wird die auf die Maske ausgeübte Kraft entspannt. Wie oben gezeigt, werden die Enden 18 des Einsatzes gekrümmt und erreichen eine Gleichgewichtslage, für die die Spannung der Maske in ihrer Mitte in der Nähe des Bereichs 7 maximal und ein Minimum in der Nähe der freien vertikalen Enden 16 ist. Die Verteilung der Spannungswerte entlang der Schweißkante können vorkalkuliert werden, und der erfindungsgemäße Aufbau ermöglicht dann einen Herstellungsvorgang, der einfach auszuführen ist, da dann die auf die Maske auszuübende Spannung über die ganze Schweißkante konstant ist.
• - Die U-Form des Querschnitts des Einsatzes arbeitet zusammen mit der der Kante 13 zugewandten Fläche und bewirkt dadurch eine Führung in der Ebene XY. Dadurch wird verhindert, daß die auf die Enden 18 des Einsatzes ausgeübte Spannung bewirkt, daß dieses Ende sich durch einen durch eine Hebelwirkung verdreht, die die Oberfläche der Maske verformen würde.

Dieser Ausbau kann daher auch in vorteilhafter Weise in Rahmen/Masken- Aufbauten angewendet werden, wo der Rahmen und die Maske aus gleichen Materialien oder aus Materialien mit ähnlichen Werten des Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehen.

Fig. 5 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung aufgrund einer andern Anordnung des Einsatzes 10. Der Einsatz 10 enthält auch eine konkave Innenfläche mit einem vorzugsweise U-förmigen Querschnitt. Der Einsatz liegt in einer solchen Weise auf der Kante 51 des Flanschs 15, daß seine konkave Innenfläche den Teil der Kante umgibt, der dem Schirm der Röhre gegenüberliegt. Der Einsatz 10 ist, wie in der vorigen Ausführungsform, über einen Bereich mit geringer Länge an einer Seite der Mitte 7 des Flanschs mit dem Flansch 15 verbunden. Die Maske ist unter Spannung an den Einsatz entlang ihren gegenüberliegenden Enden angeschweißt. Auf diese Weise können die Wärmeausdehnungen der Maske unabhängig von denen des Rahmens erfolgen.

In einer anderen Ausführungsform der Erfindung, die in Fig. 6 dargestellt ist, hat der Einsatz einen massiven Querschnitt 19 und liegt derart an dem Außenseitenteil des Flanschs 15, daß er über die Kante 51 des Flanschs 15 hinausragt. Der Einsatz 10 ist an dem Flansch 15 bei seiner Mitte 7 befestigt, und die vorher gespannte Maske wird an den über die Kante 51 hinausragenden Teil des Einsatzes angeschweißt. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß sie wirtschaftlich durchführbar ist. Die einfachen Formen der Profile des Flansches und der Einsätze ermöglichen eine Kostenverringerung dieser Teile.

Die beschriebenen Ausführungsformen sind nicht einschränkend. Es können zum Beispiel in dem Fall, wo die Maske in zwei Richtungen gespannt ist, horizontal und vertikal, die Einsätze von dem oben beschriebenen Typ in vorteilhafter Weise entlang dem Flansch der horizontalen Seiten 4 und der vertikalen Seiten 3 des Rahmens zwischen der Maske und den Flanschen des Rahmens angeordnet sein.

Claims (10)

1. Kathodenstrahlröhre mit einer Farbauswahlmaske (2) und einem im wesentlichen rechteckförmigen Metallrahmen (1), um die Maske zu tragen und sie in wenigstens einer Richtung unter Spannung zu halten, wobei die Maske aus einem Material besteht, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient kleiner ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient des den größten Teil des Rahmens bildenden Materials, dadurch gekennzeichnet, daß an wenigstens zwei einander gegenüberliegenden Seiten (4) des Rahmens zwei Metalleinsätze (10) angeordnet sind, die sich entlang der einander gegenüberliegenden Seiten erstrecken und an diesen befestigt sind, daß die Metalleinsätze aus einem Material bestehen, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient ähnlich dem der Maske ist, und daß die Maske an dem Rahmen befestigt ist, zum Beispiel durch Anschweißen an die beiden Metalleinsätze.

2. Röhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Metalleinsätze (10) an den gegenüberliegenden Seiten (4) des Rahmens (1) in einem begrenzten Bereich (7) geringer Länge relativ zu der Länge der gegenüberliegenden Seiten befestigt sind.

3. Röhre nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einsätze (10) bei ihrer Mitte (7) an den gegenüberliegenden Seiten (4) des Rahmens (1) befestigt sind.

4. Röhre nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (1) aus Stahl und die Einsätze (10) aus Invar bestehen.

5. Röhre nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Einsätze (10) eine konkave Innenfläche aufweist.

6. Röhre nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die konkave Innenfläche einen Teil der gegenüberliegenden Seiten (4) des Rahmens (1) bedeckt.

7. Röhre nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einsätze (10) auf den Innenflächen der gegenüberliegenden Seiten (4) des Rahmens (1) angeordnet sind.

8. Röhre nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einsätze (10) wenigstens teilweise die Kanten der gegenüberliegenden Seiten (4) des Rahmens (1) bedecken.

9. Röhre nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einsätze (10) auf den Außenflächen der gegenüberliegenden Seiten (4) des Rahmens (1) angeordnet sind.

10. Röhre nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Maske (2) an dem Rahmen (1) befestigt ist, zum Beispiel durch Anschweißen an vier Metalleinsätze (10), die selbst an den vier Seiten (3, 4) des Rahmens befestigt sind.