JP2000348643A

JP2000348643A - 陰極線管用ガラスパネル

Info

Publication number: JP2000348643A
Application number: JP15696899A
Authority: JP
Inventors: Tsunehiko Sugawara; 恒彦菅原; Naoya Shimizu; 直也清水
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 1999-06-03
Filing date: 1999-06-03
Publication date: 2000-12-15

Abstract

(57)【要約】【課題】ガラスパネルを強化する場合、引張り応力は増
大させないで表面の圧縮応力層のみを大きくする。【解決手段】最大引張り応力が発生するフェース部外表
面のスクリーン端近傍における最大圧縮応力σ_Cとガラ
ス内部の最大引張り応力σ_Tとが、３.３σ_T≦｜σ _C｜≦
５σ_Tの関係にあるガラスパネル。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、主にテレビジョン
放送受信等に用いられる陰極線管のためのガラスパネル
に関する。

【０００２】

【従来の技術】テレビジョン放送受信等に用いる陰極線
管は、映像を表示するパネル部（以下ガラスパネルとす
る）と一端に電子銃を格納するネック部を具備する漏斗
状のファンネル部からなるガラスバルブで外郭が構成さ
れている。そして、ガラスパネルは略箱形の構造を有し
ており、スクリーンが形成される略矩形のフェース部と
その側壁を構成するスカート部からなっている。前記ス
クリーンは、フェース部内面に蛍光膜を塗布することに
より形成され、フェース部の中心で直交する長軸および
短軸に平行な４辺で構成された略矩形をなしている。

【０００３】このようなガラスパネルを用いた陰極線管
には、１気圧の内外圧力差が負荷された場合、球殻とは
異なる非対称構造のために短軸上や長軸上のスクリーン
端部やフェース部とスカート部の結合部であるブレンド
Ｒ部近傍のスカート部の外表面に、大きな引張り応力
（＋の符号）の領域が、圧縮応力（−の符号）とともに
比較的広範囲に存在する。ガラスパネルとファンネル部
とを比べると、ガラスパネルにより大きな引張り応力が
発生する。

【０００４】図４に、最も一般的な陰極線管におけるガ
ラスバルブに発生する応力分布を示す。ここで、図４中
のσ₁は紙面に沿った応力、σ₂は紙面に垂直な方向の応
力成分を示す。図４中の応力分布に沿った数字はその位
置における応力値を示している。

【０００５】これをガラスパネルに注目して見ると、ガ
ラスパネルの表面部には二次元的応力分布が存在し、引
張り真空応力の最大値は、通常フェース部のスクリーン
端部またはガラスパネルのスカート部に存在する。した
がって、もしガラスパネルの前記引張り真空応力が大き
い場合、ガラスパネルの構造的強度が十分でないと、大
気圧による静的疲労破壊を生じ陰極線管として機能しな
くなる。

【０００６】このような破壊を防止するための保証とし
ては、ガラスパネルおよび陰極線管の組み立て工程で発
生するガラス表面への加傷の程度と陰極線管の実用耐用
年数等を考慮して、＃１５０エメリー紙により一様に加
傷したガラスパネルを加圧して外圧負荷試験を行い、破
壊に至ったときの内外圧力差を求めて、この圧力差とし
て３気圧程度は耐え得るようにしている。

【０００７】このような加傷を行ったガラスパネルが持
つ構造的な破壊強度は、ガラスパネルの外表面層に存在
する引張り性の真空応力がガラスバルブの構造に左右さ
れ、二次元的であるため一義的に決まらず、たかだか最
小値１８．６ＭＰａ、平均２４．５ＭＰａ程度の範囲に
ある。また、前記真空応力による疲労破壊の起点は、引
張り性の真空応力の最大値σ_Vmaxの存在する領域に存在
する確率が高い。このため、σ_Vmaxを６ＭＰａから１２
ＭＰａまでの範囲に抑えるようにガラスパネルの肉厚や
形状を定めている。すなわち、フェース部にある程度の
曲率と肉厚を持たすことにより上記真空応力の低減を図
っている。

【０００８】しかし、視認性を良化する目的で中央肉厚
とスクリーン端の肉厚差を維持したままフェース部の外
面の曲率半径を大きくすると、例えば２９インチのガラ
スパネルを平面のフェース部にして、前記最大引張り真
空応力の範囲に抑えた場合、フェース部の肉厚は１８．
５ｍｍまで増加する。このため、特許第２６７１７６６
号に示されているように引張り真空応力が最大になる領
域に有効な強化を行って強度を確保しつつ薄肉化してい
る。

【０００９】通常、ガラスに用いられる物理強化法で
は、成形後少なくともガラスを構成する分子の再配置が
可能な温度域にて、表面とガラス内部との間の厚み方向
に効果的な温度差が生じたまま分子の再配置が不可能な
温度域まで急冷し、その後は室温まで割れない程度の速
度で冷却し強化している。例えば、比較的単純な二次元
的な形状の板ガラスの強化では、両面をほぼ均一に急冷
する熱処理により、両面からガラス厚みの１／６程度の
深さまで圧縮応力層が形成され、残部の２／３程度の厚
みには引張り応力層が形成される。これら圧縮応力層お
よび引張り応力層の最大圧縮応力σ_Cと最大引張り応力
σ_Tの間には、ほぼ｜σ_C｜＝２σ_Tの関係を有しなが
ら、その応力分布は放物線状を示すことが知られてい
る。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】前述のような強化法を
用いた場合、σ_Cを増大させるとσ_T＝｜σ_C｜／２の関
係でσ_Tも大きくなる。一旦亀裂が圧縮層を貫通し引張
り層に到達した場合には、亀裂の進展性はσ_Tの大きさ
に左右され、大きいほどその歪みエネルギーを解放しよ
うとして亀裂が自走したり、分岐し細片化しやすくな
る。

【００１１】したがって、強化による大きな歪みエネル
ギーを貯えた陰極線管ガラスパネルに亀裂が生じた場
合、内外圧力差１気圧を解消しようとして瞬間的に自爆
する。また、陰極線管の組み立ての際の破壊の場合に
は、破片の細片化は、工程の汚染を招く問題を生じる。
また、σ_Tが過度の大きさになると、一般的には陰極線
管組み立ての熱処理の際に生じるガラスの収縮量が大き
くなり、熱処理前にフェース内面に形成された蛍光体と
電子が通過するシャドウマスクの穴の相対位置に狂いが
生じ実用性を失う。従来、こうした問題から物理強化ガ
ラスパネルの表面に形成する圧縮応力の実用的な範囲は
極めて制限されている。

【００１２】ガラスの表面強度を向上させる他の方法と
して、ガラスの表面をイオン交換処理によって強化させ
ることが考えられる。この方法は、徐冷域以下の温度で
ガラス中のアルカリイオンをそれよりも大きいイオンで
置換し、その容積増加によって表面に圧縮応力を作る方
法である。この場合、ごく表面にのみ圧縮応力層が形成
されるので、それと相殺する形で形成されるガラス内部
の引張り応力層は物理強化に比べると極めて厚くなる。

【００１３】このイオン交換処理は、例えばＮａ₂Ｏを
５〜８％、Ｋ₂Ｏを５〜９％程度含有するＳｉＯ₂−Ｓｒ
Ｏ−ＢａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＺｎＯ₂系ガラスパネル（旭硝
子製５００１ガラス）を、約４５０℃に保持したＫＮＯ
₃溶融液中に約４〜６時間程度浸漬することによって得
られる。この処理により、ガラスパネル表面には１５０
〜３００ＭＰａ程度の比較的大きな圧縮応力が形成され
る。一方、引張り応力値は、測定不可能なほど小さい。

【００１４】したがって、イオン交換処理では表面に大
きい圧縮応力を形成しても、ガラス内部の引張り応力に
よる自爆は生じない。しかし、圧縮応力層の深さは、高
々３０μｍ程度であり、製造中または使用中に発生する
加傷の最大深さ１００〜２００μｍと比較すると過小で
あるため、十分実用的な深さとは言えない。

【００１５】このように、これまでは、ガラスパネルの
軽量化を図るためにガラスパネルを強化して表面層にσ
_Cを形成する場合、σ_Cを増大させても安全なσ_Cとσ_Tの
関係について十分な究明がなされていない。このため、
σ_Tが所定の範囲を超えないようにσ_Cを一定以下に抑え
たり、σ_Cは大きくしないでガラスの肉厚を増加するこ
とにより陰極線管の安全性を確保してきた。

【００１６】本発明は、上述したようなガラスパネルの
強化における制約と問題に着目して、ガラス内部に形成
される引張り残留応力を許容範囲に抑制したまま、ガラ
ス表面の強化圧縮応力の実用的範囲を従来より拡大した
強化応力分布を有する、安全で軽量化可能な陰極線管用
ガラスパネルを創出したものである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、ス
クリーンが形成される略矩形のフェース部とその側壁を
構成するスカート部とからなる陰極線管用ガラスパネル
であって、少なくともフェース部に物理強化により圧縮
応力層が形成されており、前記矩形のフェース部の少な
くとも陰極線管組み立て後に最大引張り真空応力が形成
されるスクリーン端近傍において、前記強化によりフェ
ース部外表面に形成された最大圧縮応力σ_Cとガラス内
部に形成された最大引張り応力σ_Tとの間に、３．３σ_T
≦｜σ_C｜≦５σ_Tなる関係を有することを特徴とする陰
極線管用ガラスパネルを提供する。

【００１８】また、本発明は、スクリーンが形成される
略矩形のフェース部とその側壁を構成するスカート部と
からなる陰極線管用ガラスパネルであって、少なくとも
フェース部に物理強化および化学強化によりガラス厚み
の１／１２以上の圧縮応力層が形成されており、前記矩
形のフェース部の少なくとも陰極線管組み立て後に最大
引張り真空応力が形成されるスクリーン端近傍におい
て、前記強化によりフェース部外表面に形成された最大
圧縮応力σ_Cとガラス内部に形成された最大引張り応力
σ_Tとの間に、３．３σ_T≦｜σ_C｜≦５σ_Tなる関係を有
することを特徴とする陰極線管用ガラスパネルを提供す
る。

【００１９】

【発明の実施の形態】本発明の望ましい実施形態である
物理強化のガラスパネルは、少なくとも陰極線管組み立
て後に最大引張り真空応力が発生するフェース部外表面
の、更に具体的にはフェース部外表面におけるスクリー
ン端近傍の、ガラス表面に形成された最大圧縮応力σ_C
とガラス内部に形成された最大引張り応力σ_Tとの間
に、３．３σ_T≦｜σ_C｜≦５σ_Tなる関係を有する。

【００２０】σ_Cとσ_Tとが前記の特定の関係を有する物
理強化は、従来のσ_C＝｜２σ_T｜の関係を有する強化方
法に比較し、より高温から急冷する熱処理とともに徐冷
初期段階で温度操作を行うことにより得られる。

【００２１】一般には、製造中または使用中に生じる加
傷の深さに比較し十分な圧縮応力層の厚みが確保されて
いれば、強化応力が大きいほどガラスの薄肉化の度合を
高くすることができる。しかし、通常ガラスパネルはプ
レス成形時にガラス表面に光学的欠点を生じやすいの
で、強化処理後こうした光学的欠点を除去するため研磨
を行い、映像表示に必要とされる高い光学品質を確保す
る場合がある。このため、研磨前の圧縮応力層は少なく
とも１ｍｍ程度確保されることが望ましい。

【００２２】｜σ_C｜＞５σ_Tである場合、圧縮応力層の
厚みがガラス厚みの１／１２未満に減少し、ガラスパネ
ルの表面を研磨するような場合には、圧縮応力層が形成
されている表面層が研磨で除去されるため、強化の効果
の大半または全てが消失してしまう。また、こうした応
力の関係を得ようとすると過度の急冷処理が必要とな
り、ガラスパネルの箱型構造とあいまってスカート部と
フェース部との間の冷却のずれが大きくなりやすい。こ
の部位間の大きな温度差により、フェース部には本質的
な強化応力とは異なる不要な引張り性の残留応力が発生
する。この引張り性の残留応力は、強化で得た圧縮応力
を相殺するように作用し強化の効果を著しく損なう。

【００２３】一方、３．３σ_T＞｜σ_C｜である場合に
は、σ_Tの許容範囲内でガラス表面の強化圧縮応力を十
分増大することが困難となる。この結果、ガラスパネル
にこれ以上の強度を得るには、専らガラスの肉厚に頼ら
なければならないので、ガラスの肉厚を変えないで強度
のみ増大させたり、ガラスをより薄肉化することが困難
となって、ガラスパネルの軽量化が図れなくなる。特
に、物理強化の作業性、ガラスパネルの強度と軽量化お
よび安全性の面で、３．６σ_T≦｜σ_C｜≦４．５σ_Tが
望ましい。

【００２４】σ_Cとσ_Tとが前記の特定の関係を満たすよ
うに強化された場合、ガラス内部に形成される最大引張
り応力σ_Tは、１０ＭＰａ以下であることが亀裂細片化
を抑止するうえで望ましい。そして、本質的な強化応力
とは異なる不要な引張り性の残留応力の発生を抑制する
点から、８ＭＰａ以下であることが更に望ましい。ま
た、ガラス表面に形成されるσ_Cは衝撃時の亀裂発生や
進展を抑制するために１５ＭＰａ以上であることが望ま
しく、さらに疲労破壊を防止しかつ効果的な軽量化を達
成するには、２０ＭＰａ以上であると一層望ましい。

【００２５】本発明におけるσ_Cとσ_Tの特定の関係は、
フェース部の少なくとも陰極線管組み立て後に最大引張
り応力が形成される箇所において成立していることが重
要である。通常の陰極線管では前記最大引張り応力は短
軸上のフェース部外表面におけるスクリーン端近傍に形
成されるので、この場合には短軸上のスクリーン端近傍
におけるフェース部外表面の圧縮応力σ_Cとガラス内部
の引張り応力σ_Tが、３．３σ_T≦｜σ_C｜≦５σ_Tを満足
していなければならない。

【００２６】ここで、スクリーン端近傍について、図２
で説明する。図２はガラスパネル１をフェース部２の外
側から見たときの平面図である。スクリーン３は、点線
で図示したようにフェース部２の主要部分に矩形状に形
成される。したがって、スクリーン３の端部すなわちそ
の周縁輪郭はフェース部のブレンドＲに近い周辺に位置
している。スクリーン端近傍は、このスクリーン３の範
囲内でスクリーンの周縁輪郭に近い領域であって、その
範囲は最大引張り真空応力が局部的に大きく分布する部
分が目処となる。

【００２７】最大引張り真空応力が形成されるフェース
部外表面のスクリーン端近傍には、ガラスパネルを強化
するために一般により大きい圧縮応力が形成されること
が多い。その結果、この部分のガラス内部の引張り応力
も追従して増大するので、この位置のσ_Cとσ_Tとを重視
することは極めて有効である。その他の領域は最大引張
り真空応力も相対的に小さく、陰極線管の安全性が維持
されることが理論的および経験的に確認されている。

【００２８】しかし、本発明は必ずしも最大引張り真空
応力が形成される位置に限定するものではない。その他
の領域でも当然に３．３σ_T≦｜σ_C｜≦５σ_Tであって
も支障なく、特に前記領域のσ_Cが大きいときは、σ_Tの
過大化を抑制するために、前記関係が成立しているのが
望ましい。また、フェース部の内表面にも強化により圧
縮応力は形成されるが、前述したその他の領域と実質同
一と考えることができるので、詳細な言及はしない。

【００２９】さらに、例えば陰極線管の外面に機械衝撃
が加わった場合に、最も爆縮を生じやすいフェース部コ
ーナー領域に、前記のσ_Cとσ_Tの特定の関係で強化され
ていれば、強化による圧縮応力の存在が亀裂の進展を抑
止し爆縮の確率を低めるとともに、たとえ亀裂が引張り
層まで達したとしても存在する引張り応力は小さいの
で、亀裂の自走を抑制でき爆縮の危険性が増すことは避
けられる。

【００３０】本発明の別の実施形態としては、少なくと
もフェース部外表面を物理強化およびイオン交換強化
（化学強化）したガラスパネルがある。このガラスパネ
ルは物理強化と化学強化の長所が取り入れられており、
圧縮応力層の厚みはガラス厚みの約１／１２となってい
る。このガラスパネルにおいても、陰極線管組立後に最
大引張り真空応力が形成されるスクリーン端近傍の表面
層に形成された最大圧縮応力σ_Cとガラス内部に形成さ
れた最大引張り応力σ_Tとの間に３．３σ_T≦｜σ_C｜≦
５σ_Tなる関係を有することが望ましい。

【００３１】この場合、化学強化はより効果的に表面圧
縮応力を高めるために物理強化の補助的な手段として用
いられる。したがって、経済性を考えて、化学強化処理
は物理強化過程において同時に行われるのが望ましく、
化学強化処理を行う範囲は特に加傷されやすい領域や最
大引張り真空応力が形成される領域に限定してよい。

【００３２】なお、本発明においてスカート部も通常は
強化され、特に物理強化の場合にはフェース部に比べて
強化度が異なることはあるにしてもフェース部と同時に
強化され、表面には圧縮応力層が形成される。しかし、
スカート部の強化は本発明と直接に関係しないので、必
ずしも強化されていなくてもよい。強化されている場合
に、その選択された位置のσ_Cとσ_Tの関係は３．３σ_T
≦｜σ_C｜≦５σ_Tを満たしていてもよく、満たしていな
くてもよい。

【００３３】

【実施例】本発明の実施例を比較例とともに表１に示
す。使用したガラスパネルは、アスペクト比が４：３の
３４インチのものであり、ガラス厚みはフェース部の中
央が１７．５ｍｍ、短軸におけるスクリーン端が１９．
３ｍｍで、通常のものより薄くなっている。これらのガ
ラスパネルの最大引張り真空応力が形成される位置は、
短軸のスクリーン端近傍にある。ガラスパネルは、実施
例、比較例とも同じものを使用した。

【００３４】強化のための熱処理は、成形後に金型から
取り出した後４０秒経過したガラスパネルに対して行
い、その開始時のフェース部（スクリーン端）の温度は
約５００℃であった。急冷手段としては、少なくとも短
軸上のスクリーン端部を約２０℃の室温の空気により冷
却する方法を用いた。ただし、比較例２については、急
冷手段を用いない点では比較例１と同じであるが、徐冷
条件を操作して表面の圧縮応力を高める方法をとった。

【００３５】各実施例および比較例についてそれぞれの
熱処理条件でガラスパネルを強化し、これらの最大圧縮
応力σ_Cおよび最大引張り応力σ_Tを、最大引張り真空応
力が形成されるフェース部外表面の短軸のスクリーン端
について測定した。その測定は、ガラスパネルの短軸端
部をスカート部を含む形で幅１３〜１５ｍｍ、長さ約１
５０ｍｍの測定試験片４として切り出し（図２参照）、
図３に示す測定片を作製した後、各測定片についてフェ
ース部外表面のスクリーン端の応力測定をバビネ補整器
法により行った。圧縮層の厚みは、バビネ補整器法によ
り得られた応力パターンを写真撮影し測定した。σ_C、
σ_Tおよび圧縮層については、各強化条件で得られたサ
ンプルから任意の３個を抜き出して測定し、平均値で評
価した。

【００３６】耐圧強度は、各強化条件で得られたサンプ
ルから５個を抜き出し、＃１５０エメリー紙により一様
に加傷したガラスバルブに水圧により加圧して外圧負荷
試験を行い、破壊に至った時の内外圧力差を求め平均値
で評価した。防爆試験は、各強化条件で得られたサンプ
ルの任意の１０個について、この分野で常用されている
２０Ｊのエネルギーでミサイル法により行った。

【００３７】これらの例から明らかのように、｜σ_C／
σ_T｜が３．３〜５の範囲にある実施例１、２、３は、
実施例１で１個不合格となった以外はすべて合格であっ
た。また、各実施例のガラスパネルのσ_Tはいずれも１
０ＭＰａ以下であった。これに対し、比較例１、２の｜
σ_C／σ_T｜は２．５、比較例３の｜σ_C／σ_T｜は５．５
となっており、不合格率はいずれも高い。

【００３８】

【表１】

【００３９】

【発明の効果】本発明においては、物理強化によりガラ
スパネル内部に形成される引張り応力を増大せずに、ガ
ラスパネルの表面層に形成される強化圧縮応力の実用的
範囲を従来より拡大した強化応力分布に、つまり前記強
化圧縮応力のみを増大させることができるので、疲労破
壊を防止しながら軽量化をもたらす効果がある。

【００４０】さらに、陰極線管の外面に機械衝撃が加わ
っ場合、本発明による高い強化圧縮応力の存在が亀裂の
進展を抑止し爆縮の確率を低める効果をもたらすととも
に、たとえ亀裂がガラス中央の引張り応力層まで達した
としても、本発明によりガラス内部の引張り応力は小さ
く抑えているので、亀裂の自走を抑制でき爆縮の危険性
を回避できる効果がある。これらの効果により、機械衝
撃や陰極線管組み立て中の熱衝撃による爆縮や完成後の
疲労破壊を招かない強固で軽量な陰極線管ガラスバルブ
を容易に製造できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のガラスパネルの断面方向における応力
分布を示す断面図。

【図２】本発明のガラスパネルのフェース部の外側方向
から見た平面図。

【図３】測定試験片の断面説明図。

【図４】陰極線管のガラスバルブに発生する応力分布の
説明図。

【符号の説明】１：ガラスパネル２：フェース部３：スクリーン４：測定試験片

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】スクリーンが形成される略矩形のフェース
部とその側壁を構成するスカート部とからなる陰極線管
用ガラスパネルであって、少なくともフェース部に物理
強化により圧縮応力層が形成されており、前記矩形のフ
ェース部の少なくとも陰極線管組み立て後に最大引張り
真空応力が形成されるスクリーン端近傍において、前記
強化によりフェース部外表面に形成された最大圧縮応力
σ_Cとガラス内部に形成された最大引張り応力σ_Tとの間
に、３．３σ_T≦｜σ_C｜≦５σ_Tなる関係を有すること
を特徴とする陰極線管用ガラスパネル。
【請求項２】スクリーンが形成される略矩形のフェース
部とその側壁を構成するスカート部とからなる陰極線管
用ガラスパネルであって、少なくともフェース部に物理
強化および化学強化によりガラス厚みの１／１２以上の
圧縮応力層が形成されており、前記矩形のフェース部の
少なくとも陰極線管組み立て後に最大引張り真空応力が
形成されるスクリーン端近傍において、前記強化により
フェース部外表面に形成された最大圧縮応力σ_Cとガラ
ス内部に形成された最大引張り応力σ_Tとの間に、３．
３σ_T≦｜σ_C｜≦５σ_Tなる関係を有することを特徴と
する陰極線管用ガラスパネル。
【請求項３】最大圧縮応力σ_Cが１５ＭＰａ以上、最大
引張り応力σ_Tが１０ＭＰａ以下である請求項１または
２記載の陰極線管用ガラスパネル。