JP5526639B2 - プレス成形用ガラス素材の製造方法及び製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、プレス成形に用いるプレス成形用ガラス素材の製造方法及び製造装置に係り、特に、ガラス素材の表面に炭素膜を形成して、プレス成形時に金型とガラス素材が融着しないようにしたプレス成形用ガラス素材の製造方法及び製造装置に関する。

近年、ガラスレンズなどの光学素子を製造する方法として、光学素子成形素材をプレス成形し、成形面を研磨等せずにそのまま使用することができる直接プレス成形法が注目されている。

この方法は、光学素子として所望の特性を有する光学素子成形素材を、上型、下型及び胴型から構成されるプレス成形型内にセットして、成形可能な温度まで加熱してからプレスすることで所望の形状を付与し、その後、冷却してプレス成形型から取り出すことで光学素子を製造するものである。

このプレス成形法において、ガラス製の光学素子成形素材がプレス成形時に型と融着することがあり、その場合、光学素子が部分的に剥離して所望の形状を得ることができず、製品として使用することができないという問題があった。さらに、このような融着が起きると、型表面に融着物が残留し、それ以降も型として使用する場合には、融着物を完全に除去しなければならず、プレス成形の生産性を著しく低下させてしまうという問題があった。

したがって、プレス成形による光学素子の製造においては、光学素子成形素材がプレス成形型へ融着するのを防止することが、生産性や、光学素子製品の精度確保の点で重要である。

この問題に対しては、型と光学素子成型素材との融着を防止するために、真空蒸着法、スパッタ法、イオンプレーティング法などにより厚さ５０〜５０００Åの炭素膜を形成し、光学素子成型素材成型後その炭素膜を酸化処理によって除去する方法（特許文献１参照）、プラズマＣＶＤ法による光学素子成型素材表面に１０〜５０Åの炭化水素膜（水素濃度：５〜６０％）を形成する方法（特許文献２参照）が提案されている。

また、炭化水素ガスの熱分解により光学素子成形素材表面に１０〜５０Åの炭素膜を形成し、成形後もそのまま使用する方法（特許文献３参照）、さらに、炭化水素ガスの熱分解による炭素膜において、成膜工程で、炭化水素を供給し、熱分解させるステップと熱分解後に反応器中を排気するステップとを２回以上繰り返すステップにより、成型時にくもりを発生させずに光学素子成型素材に形成される炭素膜を厚くすることができる成膜方法（特許文献４参照）も知られている。

特公平２−３１０１２号公報 特開平４−７７３２１号公報 特開平８−２１７４６８号公報 特開２００４−２３１５０４号公報

しかしながら、真空蒸着法、スパッタ法、イオンプレーティング法や、プラズマＣＶＤ法による炭素膜の成膜方法では、成膜に指向性があるため、球状の光学素子成型素材の全面に均一にコーティングするのが難しいという問題があった。

また、このような指向性の問題を解決する手段として、特許文献３記載のように、炭化水素ガスの熱分解により炭素膜を形成する方法が提案されたが、処理時に光学素子成形素材が熱処理炉内の置かれる位置により膜厚がばらつく膜厚分布が生じやすく、また、光学素子成型素材の硝種により、成型時、型と光学素子成型素材との相互作用によりレンズの破損が起きやすいという問題があった。

このレンズの破損に対しては、さらに特許文献４記載で、比較的厚い炭素膜を形成することで解決しようとする成膜方法が開示されているが、厚く炭素膜を形成しようとすると時間がかかり生産性が悪くなるという問題があった。

そこで、本発明は、炉内の配置場所により膜厚分布が悪化することを抑制し、均一な膜厚の炭素膜を有するプレス成形用ガラス素材を製造するものであって、かつ比較的厚い膜を短時間で成膜することもできるプレス成形用ガラス素材の製造方法を提供することを目的とする。

本発明のプレス成形用ガラス素材の製造方法は、ガラス素材を収容した熱処理炉内に炭化水素ガスを供給し、減圧下、供給した炭化水素を熱分解させて、ガラス素材表面に炭素膜を形成するプレス成形用ガラス素材の製造方法において、熱処理炉内に、炭化水素ガスと同時に酸素ガスを供給することを特徴とするものである。

また、本発明のプレス成形用ガラス素材の製造装置は、ガラス素材を収容する熱処理炉と、熱処理炉内に炭化水素ガスを供給する炭化水素供給手段と、熱処理炉内に酸素ガスを供給する酸素供給手段と、熱処理炉内を減圧する真空排気手段と、からなることを特徴とするものである。

本発明のプレス成形用ガラス素材の製造方法及び製造装置によれば、ガラス素材の表面に短時間で、均一な安定した厚さの炭素膜を形成することができる。このとき、成膜速度は従来よりも向上しており、熱処理炉内の配置箇所によらず膜厚分布も良好なものである。

また、このようにして得られたガラス素材は、従来法に比べ膜質が向上して型との滑りも良好で離型性に優れているため、プレス成形時に、型に融着することがなく安定してプレス成形を行うことができ、プレス成形製品の生産性を向上させることもできる。

本発明の一実施形態であるプレス成形用ガラス素材の製造装置の概略構成図である。 本発明の他の実施形態であるプレス成形用ガラス素材の製造装置の概略構成図である。 実施例１における成膜時の熱処理炉内の温度と圧力との関係を示した図である。

以下、本発明について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態であるプレス成形用ガラス素材の製造装置の概略構成図である。

ここで、図１のプレス成形用ガラス素材の製造装置１は、処理対象のガラス素材を収納するワーク収納部２と、ワーク収納部２を収容するチューブ３と、チューブ３内を加熱する熱処理炉４と、チューブ３内を真空排気する真空排気手段５と、チューブ３内に炭化水素ガスを供給する炭化水素供給手段６と、チューブ３内に酸素ガスを供給する酸素供給手段７と、から構成されるものである。

ここで、チューブ３内には、熱処理炉４でチューブ３内を加熱した時に、チューブ３内が均一に加熱できるように均熱板８が、また、チューブ３内の温度を測定、調整するための熱電対９及び１０が設けられている。

本発明のワーク収納部２は、炭素膜を形成する対象であるガラス素材を収納するものであって、その成膜処理が行われる間、処理対象であるガラス素材を安定して保持するものである。

このワーク収納部２は、処理対象であるガラス素材を安定して保持することができればよく、その素材等は特に限定されるものではない。また、後で説明する炭化水素供給手段６及び酸素供給手段７によりチューブ３内に導入されたガスにガラス素材を十分に曝すことができる形状のものであればよい。

例えば、このワーク収納部２は、複数枚のトレー２ａを棚状に一定の間隔で保持できるものが挙げられ、このトレー２ａは、その上面にガラス素材を縦横に整列させて載置することができるようになっている。また、上記したように、このワーク収納部２は、ガラス素材をチューブ３内に導入されたガスに曝すことができるようになっているため、その側面は解放されている。

次に、本発明のチューブ３は、ワーク収納部２を収容し、その内部を外部環境と隔離して閉鎖空間とすることができるものである。この密閉された閉鎖空間には、後述する炭化水素ガスや酸素ガス等の成膜処理用のガスを所定の濃度に供給することで、成膜処理ができるようになっており、また、後述する真空排気手段５により、その内部の圧力も所定の圧力に調整することができるようになっている。さらに、その内部を熱処理炉４により加熱することで、処理温度を維持するようにもなっている。

本発明の熱処理炉４は、チューブ３内を加熱するものであり、加熱することができるものであれば特に限定されるものではなく、通常、電気炉等のヒーターで構成されるものである。この熱処理炉４は、チューブ３の内部を効率的に加熱することができるように、チューブ３の外周に設けられていることが好ましい。

熱処理炉として電気炉を用いる場合には、複数のゾーンをそれぞれ制御して加熱することが好ましく、例えば、３ゾーン式電気炉で３ゾーンＰＩＤ制御及びカスケード制御による温度制御方式により行うようにすればよい。このとき、ヒーター側に制御用熱電対９を３本設け、チューブ側にも制御用熱電対１０を３本設けた構成とし、ヒーターは熱電対９ａに対応するヒーター、熱電対９ｂに対応するヒーター、熱電対９ｃに対応するヒーターの３ゾーンに分割し、それぞれ独立して温度制御するようにする。ここで用いる熱電対としてはＲ熱電対が挙げられる。

本発明の真空排気手段５は、チューブ３内の空気等のガスを排気して減圧することができるものであり、通常、真空ポンプ等で構成されるものである。例えば、スクリュー式ドライポンプによりクリーン排気を行うことができるようになっており、真空度を測定する圧力計として大気圧から０Ｐａまでのダイヤフラムと２００Ｐａから０Ｐａまでのサーモカップルを備えるものが挙げられる。

本発明の炭化水素供給手段６は、チューブ３内に炭化水素ガスを供給するものであり、ボンベ等に充てんされた炭化水素ガスを配管等によりチューブ３内に導入することができるものであればよい。ここで用いる炭化水素としては、エタン、プロパン、ブタン、エチレン、プロピン、アセチレン、ベンゼン等が挙げられる。この炭化水素供給手段６は、例えば、最大１０００ｓｃｃｍ、好ましくは最大１００ｓｃｃｍのマスフローコントローラにより供給する炭化水素ガス量を適宜決定することができるようになっている。

本発明の酸素供給手段７は、チューブ３内に酸素ガスを供給するものであり、ボンベ等に充てんされた酸素ガスを配管等によりチューブ３内に導入することができるものであればよい。本発明は、炭化水素ガスの導入と同時に、酸素ガスを導入することを特徴とするものである。この酸素供給手段７は、例えば、最大１００ｓｃｃｍ、好ましくは最大１０ｓｃｃｍのマスフローコントローラにより供給する酸素ガス量を適宜決定することができるようになっている。

これら炭化水素供給手段６と酸素供給手段７は、別々の配管として、それぞれ炭化水素ガス、酸素ガスをチューブ３内にそれぞれ供給するようにしてもよいが、装置構成を簡素にするために共通の配管として設け、炭化水素ガス及び酸素ガスを予め混合した混合ガスとして供給するのがよい。

また、この炭化水素供給手段６及び酸素供給手段７は、チューブ３内にそれぞれ目的のガスを供給することができればよいため、チューブ３内に導かれた配管の少なくとも一部に穴が開いているものである。図１においては、例えば、上端部に穴が開いた形状や配管の側面に穴が開いた形状であればよく、配管の側面に穴を開けることが、チューブ３内に供給するガスの濃度勾配を少なくして、膜厚分布をより良好にすることができる点で好ましい。この穴の個数や大きさは特に限定されるものではないが、例えば、側面に３〜１０個の穴を、その径が０．５〜３ｍｍ、より好ましくは１〜２ｍｍ、となるように設けることが好ましい。

さらに、この炭化水素供給手段６及び酸素供給手段７は、チューブ３内で、上端部がワーク収納部２の上面よりも高い位置となるように設けて炭化水素ガス及び酸素ガスを供給し、チューブ３の上部空間にまでこれらのガスが存在するようにして、ワーク収納部２の上部に載置されたガラス素材にも充分に炭素膜を形成できるようにすることが好ましく、このとき配管の側面に穴を開け上端部は閉じていることが好ましい。

また、ガラス素材の処理にあたっては、炭化水素ガス及び酸素ガスを供給する前に、チューブ３内の水分等を極力減らしてから、炭素膜等の形成を行うことが効率良く安定した膜を形成することができる。そこで、チューブ３内を減圧した後、炭化水素ガス及び酸素ガスを供給する前に、空気を完全に排気してチューブ３内を乾燥させる窒素導入を行うことが好ましく、これは窒素ガス供給手段を設けることで達成できる。

なお、この窒素ガス供給手段は、独立して設けてもよいが、炭化水素供給手段６及び／又は酸素供給手段７と共通の配管とすることもでき、共通配管とすることが窒素供給のための特別の配管を設ける必要がなくなり、装置構成が簡素になる点で好ましい。

また、本発明の均熱板８は、熱処理炉４により加熱されたチューブ３内の温度（特に、ワーク収納部２の温度）のムラを少なくし、炭素膜等の形成を安定して行うことができるようにするものであり、チューブ内のワーク収納部２の周囲に設けられ、ワーク収納部２の温度変化を極力少なくするものである。

この均熱板８は、温度変化を抑制するものであるから、温度低下を招く側、例えば、図１では、熱処理炉４のヒーターがなく、真空度を保つためにＯリングが設けられている面（ワーク収納部２の下部で、チューブ３の底面側）に設けられており、冷却面となるチューブ３の底面と平行に、空間をあけて層状になるように複数枚の金属板を固定して形成されている。ここで用いる金属板としては、ＳＵＳ３０４等のステンレス製であることが好ましい。

図１には５枚の均熱板を設けた例を記載しているが、この均熱板８の下部、底面にはチューブの底面が接触しており、真空度を保つためにＯリングが配置されている。Ｏリングは熱に弱いため冷却管で冷却されており、これにより、チューブ３下部とワーク収納部２とでは大きな温度差が生じるようになっている。複数の均熱板８は、温度差の大きいこれら部材の間に空間をあけて層状に挿入されており、温度分布を緩やかにし、ワーク収納部２の温度が冷やされないようにして、均一に保つようにしている。

均熱板８は１〜１５枚設けることが好ましく、３〜７枚であることがより好ましい。このとき、均熱板の配置は等間隔で設けてもよいし、チューブ３の底面に近い方の間隔を広くし、ワーク収納部２に近い方の間隔を狭くするなど、間隔の変化をつけてもよい。

次に、このプレス成形用ガラス素材の製造装置１を用いて、プレス成形用ガラス素材を形成する方法について説明する。

まず、ワーク収納部２に処理対象であるガラス素材を所定の位置に載置するが、このとき、一般に、ワーク収納部２は多段のトレー２ａから構成されており、トレー一段につき直径１０ｍｍ〜１５ｍｍのガラス素材の時に約８０個、直径２ｍｍ〜５ｍｍのガラス素材の時に約３００個のガラス素材を縦横に整列して載置できるようになっている。

ガラス素材を載置したワーク収納部２は、チューブ３内に収容されて密閉され、その外部にはチューブ３内を加熱することができるように熱処理炉４が配置される。具体的には、チューブ３及び熱処理炉４は、上下移動が可能なように構成され、サーボモータとボールねじによって上下でき、簡便にワーク収納部２の出し入れができるようになっており、チューブ３及び熱処理炉４をワーク収納部２の上部から下降させてワーク収納部２をチューブ３内部に収容した後、チューブ３下側の開口部を閉鎖して密閉すればよい。このとき、チューブ３の底面は、真空排気手段５、炭化水素供給手段６及び酸素供給手段７と接続されている。

次に、密閉されたチューブ３内を真空排気手段５により真空排気して、０．０１〜５００Ｐａ、好ましくは０．０１〜２００Ｐａ、特に好ましくは１５Ｐａ程度まで減圧する。それと同時に又は減圧が完了したら、熱処理炉４によりチューブ３内を熱分解温度以上に加熱する。熱分解温度とは、炭化水素が炭素と水素に分解を開始する温度（分解温度）をいい、使用する炭化水素の種類により異なる。例えば、アセチレンを用いた場合、減圧下で、４６０〜５００℃、より好ましくは４７０〜４９０℃となるように加熱することで熱分解を行うことができる。アセチレンは、熱分解温度が比較的低いことから好ましい炭化水素の１つである。

上記の熱分解処理を行うことができる温度が成膜温度となるが、このとき、成膜温度まで加熱する際には、オーバーシュートを生じさせないように、まずは成膜温度よりも２０〜８０℃程度低い温度、より好ましくは４０〜６０℃程度低い温度に一旦加熱して、その後、１〜５℃／分程度、より好ましくは２〜４℃／分程度の緩やかな昇温速度とし成膜温度まで段階的に加熱することが好ましい。

チューブ３内の排気が充分に行われ、成膜温度が安定したところで、炭化水素供給手段６から炭化水素ガスを、それと同時に酸素供給手段７から酸素ガスを、それぞれチューブ３内に導入し、ガラス素材の表面に炭素膜による成膜を行う。ここで、炭化水素ガスと酸素ガスとの供給量は、モル比で炭化水素ガス１００に対して、酸素ガスを０．１〜８の範囲で供給することが好ましく、０．２〜２．２の範囲であることが特に好ましい。

具体的には、炭化水素ガスの供給は最大１０００ｓｃｃｍ、好ましくは１００ｓｃｃｍ、酸素ガスの供給は最大１００ｓｃｃｍ、好ましくは１０ｓｃｃｍの流量で行うことができようにして、例えば、炭化水素ガスを１０〜１００ｓｃｃｍとし、酸素ガスを０．１〜８ｓｃｃｍ、好ましくは０．２〜２．２ｓｃｃｍとした範囲で供給することができる。このとき、炭化水素ガスと酸素ガスとは、別々の配管から供給するようにしてもよいし、共通の配管を通して混合ガスとして供給してもよい。

ここで供給する炭化水素ガス、酸素ガス及び窒素ガスは、純度の高いものであることが好ましい。ここで、炭化水素ガスは９９．６％以上の純度であることが好ましく、９９．９９％以上であることがより好ましい。また、酸素ガスは、９９％以上の純度であることが好ましく、９９．９％以上であることがより好ましい。また、窒素ガスは、９９％以上の純度であることが好ましく、９９．９％以上であることがより好ましい。

チューブ３内の温度を保持しながら、炭化水素ガス及び酸素ガスを供給し続けて成膜処理を行い、所望の厚さに成膜できたところで、炭化水素ガス及び酸素ガスの供給を停止し、熱処理炉４の加熱を止め、チューブ３内を冷却する。この成膜処理に際してはガスを供給し続けるため、チューブ３内の圧力は時間により増大していき、通常、４０ｋＰａ程度までは問題なく炭素膜の成膜ができる。

チューブ３内の温度が２００℃以下まで下がったらチューブ３を大気解放して、炭素膜で成膜されたガラス素材を得る。なお、大気解放する場合には、チューブ内に窒素ガスや空気等を導入してチューブ３内の圧力を大気圧に戻すと共に、炭化水素ガスをチューブ３内から真空排気手段５により排気してから行うものである。これにより、炭化水素ガスを大気中に拡散させることなく、安全に成膜処理を終了させることができる。

また、この成膜処理を行う前で、炭化水素ガス及び酸素ガスを導入するにあたっては、減圧が行われた後、一旦窒素ガスをチューブ３内に供給して、再度減圧することによりチューブ３内の水分を完全に取り除き、乾燥状態とすることが好ましい。このとき、窒素導入量は５〜２０Ｌ／分であることが好ましく、窒素導入後の保持時間は１５〜６０分であることが好ましい。

なお、上記の炭化水素ガス、酸素ガス、窒素ガスの供給量の範囲は、チューブ３内の容積が６０，０００〜１００，０００ｃｍ^３程度の大きさである場合を想定したものであり、チューブの大きさが変わった場合には、成膜処理を好ましい条件で行うために各ガスの上記供給量の範囲を外れて適宜変化させることもできる。

次に、本発明のプレス成形用ガラス素材の製造装置及び製造方法の他の態様について図２を参照しながら説明する。

図２に記載したプレス成形用ガラス素材の製造装置１１は、処理対象のガラス素材を収納するワーク収納部１２と、ワーク収納部１２を収容するチューブ１３と、チューブ１３内を加熱する熱処理炉１４と、チューブ１３内を真空排気する真空排気手段１５と、チューブ１３内に炭化水素ガス及び酸素ガスを供給する混合ガス供給手段１６と、混合ガスとは別に酸素ガスを供給する第２の酸素供給手段１７と、から構成されるものである。

ここで、チューブ１３内には、熱処理炉１４でチューブ１３内を加熱した時に、チューブ１３内が均一に加熱できるように均熱板１８が、また、チューブ１３内の温度を測定、調整するための熱電対１９及び２０が設けられている。

この図２のプレス成形用ガラス素材の製造装置１１は、基本的には図１のプレス成形用ガラス素材の製造装置１と同じ構成からなるものであり、炭化水素ガス及び酸素ガスをそれぞれ別の配管から供給するのではなく共通の配管からチューブ１３内に供給することができる混合ガス供給手段１６を設け、混合ガスとは別に酸素ガスを供給する第２の酸素供給手段１７を設けている点が異なる以外は同一の構成である。以下、図１とは異なる点について説明する。

この実施形態において、混合ガス供給手段１６は、炭化水素ガス及び酸素ガスを共通の配管からチューブ１３内に導入することができるようになっている。炭化水素ガスと酸素ガスとは、チューブ１３内への供給前に混合しても急激に反応したりすることはないため問題ない。

この混合ガス供給手段１６は、共通配管に炭化水素ガスと酸素ガスが封入されたボンベが別々に接続されており、それぞれがマスフローコントローラにより供給量を上記実施形態の混合比の範囲となるように制御されている。

そして、本実施形態において、図１と大きく異なるのは混合ガスとして供給する酸素ガスの他に第２の酸素供給手段１７が設けられていることである。この酸素供給手段１７は、チューブ１３内を撹拌することができるように酸素ガスを供給するものであり、混合ガスとは別に酸素ガスを供給する第２の酸素供給手段であり、具体的には、混合ガスとして供給された炭化水素ガス及び酸素ガスをチューブ１３内で均一に拡散させて濃度勾配を少なくするように働くものである。

したがって、この第２の酸素供給手段１７は、混合ガスで供給される酸素ガスとこの第２の酸素供給手段１７で供給される酸素ガスとを合わせた量が、上記した炭化水素ガスと酸素ガスとの比率の範囲となるように供給されるものである。

また、この第２の酸素供給手段１７は、その上端部が混合ガス供給手段１６の上端部に対して、対角位置に存在し、酸素ガスを複数個所から供給することに加え、チューブ１３内のガスを撹拌させる作用も有し、例えば、チューブ１３の底面近くに設けてチューブ１３内において均一に酸素が拡散するようになっている。

上記のようなガラス素材の製造方法により、炭化水素ガスの熱分解によりガラス素材の表面に５〜１０００Åの炭素膜を短時間に成膜し、外観に影響を与えない光学素子成型素材を提供することができる。このとき形成される炭素膜の膜厚は、１０〜３００Åであることが好ましく、１０〜１５０Åであることがより好ましい。

このとき形成される炭素膜は、炭素−水素結合による炭化水素部分も含まれており、このとき炭素膜中の水素の含有量は少ないことが好ましい、水素含有量が多いと、リヒートプレス時の加熱加工により、水素が膜中から抜け出して、膜組成が不安定な膜となり、さらに膜厚も薄くなって融着し易くなり、離型性が低下する傾向がある。

膜厚の調整は、供給する酸素ガスの濃度や処理時間により容易に調整することができる。すなわち、炭化水素ガスに対する酸素ガスの供給比率を高くしたり、処理時間を長くしたりすることで膜厚を容易に厚くすることができる。ただし、酸素ガスの供給比率を高くしすぎると膜厚分布が悪化する傾向があるので注意が必要である。

本発明のプレス成形用ガラス素材の製造方法及び製造装置は、ガラス素材であれば制限なく成膜することができるが、特に、加工精度の求められる光学素子成形素材に適したものである。

以下、本発明を実施例によりさらに詳細に説明する。

図２の構成を有するプレス成形用ガラス素材の製造装置を用いて、炭素膜を形成したプレス成形用ガラス素材の製造を次の通り行った。

直径１０ｍｍのホウ酸ランタン系ガラス製の光学素子成形素材（プリフォーム）を８×１０個整列させて載せたワーク収納用のトレーを３０段用意し、ワーク収納部に納めた。次に、チューブ（石英製）と電気炉（ヒーター）を下降させ、ワーク収納部をチューブ内へ収容し密閉した。このとき、チューブ内部の容積は８５，０００ｃｍ^３である。

ワーク収納部を収容したチューブ内を、クリーン排気用のスクリュー式ドライポンプ（キャノンアネルバテクニクス株式会社製、商品名：Ｖ０６０ＨＢ、最大排気速度（５０／６０Ｈｚ）：９００／１，１００Ｌ／分、到達圧力：１Ｐａ）で排気し、ドライポンプはコントローラとインバータで回転数制御を行いＡＰＣ（自動圧力制御；Auto Pressure Control）するようにした。ドライポンプでチューブ内が２００Ｐａ以下まで排気した（プロセス１０１）。

２００Ｐａ以下になったところで、ヒーターによりチューブ内部の昇温を開始した。ヒーターは、ワーク収納部側面の上部、下部とその中間に位置するように３本設置され、それぞれが１つのヒーターブロックとして構成されている。各ヒーター近傍にＲ熱電対を３本設置しており、また、炭化水素ガス及び酸素ガス導入管の近傍に各ヒーターとほぼ同じ高さにＲ熱電対を各１本ずつ計３本設置している（図２）。

昇温はオーバーシュートをさせないために最初の設定温度を４２０℃とし、その後、設定温度を４８０℃として、昇温させた。今回は４８０℃の設定で６０分保持した。真空排気は昇温中も継続し、チューブ内の真空度が１５Ｐａ以下となるようにした（プロセス１０２）。昇温が安定したところで、混合ガス供給手段より窒素を１０Ｌ／分導入し、真空度が１５ｋＰａとなったところで６０分保持した（プロセス１０３）。この窒素導入でチューブ内の水分量を減少させ、乾燥させた。その後、再度排気を行いチューブ内の真空度が１５Ｐａ以下となるようにした（プロセス１０４）。

真空度が１５Ｐａ以下となったところで、成膜用のアセチレンガスと酸素ガスの混合ガスを混合ガス供給手段からチューブ内に供給した。このとき、アセチレン流量を１００ｓｃｃｍ、酸素流量を０．２ｓｃｃｍとし、これと同時に、第２の酸素ガス供給手段から酸素ガスを０．２ｓｃｃｍで導入して、光学素子成形素材の表面に炭素膜の成膜処理を行った。約３０分で真空度が１５ｋＰａとなり、成膜処理中はチューブ内の温度を４８０℃とするように維持した（プロセス１０５）。

炭素膜が充分に形成されたところで、成膜処理を停止するため、混合ガス及び酸素ガスの供給を停止し、チューブ内の真空度が２００Ｐａ以下になるまで排気を続けた。このとき、混合ガスの供給を停止するとともにヒーターの設定温度を下げてチューブ内の温度も下げていき、さらに５Ｐａ付近の真空度となるまで１５分間排気を続けた（プロセス１０６）。

その後、チューブ内に窒素を１０Ｌ／分の流量で供給し真空度を９０ｋＰａとし、チューブ内のアセチレン濃度を下げた。アセチレンガスは微量でも酸素と良く反応し爆発などの危険があるため、十分排気を行う必要がある。窒素の導入開始と同時にヒーターの電源は切断した（プロセス１０７）。

次いで、再度排気を行い２００Ｐａ以下の真空度となるようにした後、さらに５Ｐａ程度の真空度まで排気したら（プロセス１０８）、再び窒素を導入し大気圧となったところで、チューブを大気解放した（プロセス１０９）。ここは大気圧まで戻せばよいため、窒素の代わりに空気を供給してもよい。

チューブを大気解放し、室温まで冷却して、厚さ約１０ｎｍの炭素膜が形成された光学素子成形素材を得た。このとき、ガラス素材に成膜された炭素膜の膜厚を調べて、その結果を表１に示した。

また、以上説明した実施例１の処理について、チューブ内の温度と圧力の相関図を図３に示した。

なお、この実施例において、混合ガスとして使用する窒素は場内配管の乾燥窒素であり、酸素は９９．９％の７ｍ^３ボンベを使い、アセチレンは溶接用の溶解アセチレンの７ｋｇ４１型ボンベを使用した。窒素用のマスフローコントローラは最大２０Ｌ／分、酸素は最大１０ｓｃｃｍ、アセチレンは最大１００ｓｃｃｍをコントロールできるものを用いた。

今回の処理数量は２４００個／バッチであるがトレーの段数は３０段あるため、トレーに収納する個数によって処理数量は変化する。例えば、実施例の装置では、３０〜１０，０００個の処理が可能であり、光学素子成型素材の大きさによっては１０，０００個以上も処理できる。

石英製の混合ガス導入管はワーク収納部の最上端と同一面あるいはより高い位置までの長さがあり、上部と側面よりガスを導入することができるようになっており、側面には径が１．５ｍｍの穴が５個開いている。

（実施例２〜３）
第１の酸素ガス供給量を変化させた以外は実施例１と同様の条件で、炭素膜を有するプレス成形用ガラス素材を製造した。このとき、アセチレンガスの流量は１００ｓｃｃｍで固定し、酸素ガスの流量を、表１に記載の流量となるようにした。実施例１と同様に膜厚を測定し、それらの結果を表１に示した。

（実施例４〜５）
さらに、混合ガス中の第１の酸素ガス供給量を４ｓｃｃｍ（実施例４）、８ｓｃｃｍ（実施例５）とした以外は実施例１と同様の条件で、炭素膜を有するプレス成形用ガラス素材を製造した。このとき、実施例４で平均膜厚が３０．５７ｎｍ、実施例５で平均膜厚が６９．８４ｎｍとなり、酸素ガスの供給量を増やして雰囲気中の酸素濃度を上げることで成膜速度が向上することが確認できた。

（比較例１）
酸素ガスを供給しない以外は実施例１と同様の条件で、炭素膜を有するプレス成形用ガラス素材を製造した。実施例１と同様に膜厚を測定し、その結果を表１に示した。

（１）膜厚分布
膜厚の評価方法は、以下のように光の透過率を測ることによって判断した。
実施例及び比較例で得られたプレス成形用ガラス素材に、３５０〜８００ｎｍの光を照射して、その透過率を測定した。このとき、３５０〜８００ｎｍ、特に４００ｎｍ付近の透過率を比較すると、炭素膜が厚い場合には透過率が低くなり、薄い場合には透過率が高くなる。事前に透過率と膜厚の相関をとっておき、判定は透過率より膜厚を計算して表１の結果を得た。

以上の結果から、表１に示すように、本発明によりチューブ１３内に裁置したプレス成形用ガラス素材の膜厚分布が良好となった。比較例１は酸素ガスの供給がないため膜厚分布は最大と最小の差が０．７０ｎｍと平均膜厚１．６４ｎｍに対して４２．７％もあり、非常に大きな膜厚分布であった。しかし、酸素ガスを混合ガス供給手段１６より０．５ｓｃｃｍ、酸素ガス供給手段１７より０．２ｓｃｃｍ供給すると（実施例２）膜厚分布は最大と最小の差が０．４７ｎｍと平均膜厚８．７９ｎｍに対して５．３％と格段に改善されていることがわかった。

また、これらの結果から本発明により成膜速度が向上していることもわかった。実施例１は酸素ガスの供給がないため平均膜厚１．６４ｎｍである。しかし、実施例５に示したように酸素ガスを混合ガス供給手段１６より８ｓｃｃｍ、酸素ガス供給手段１７より０．２ｓｃｃｍ供給すると平均膜厚は６９．８４ｎｍと約４０倍と格段に成膜速度が向上していることがわかった。

実際の運用では成膜速度と膜厚分布の双方が良い条件を選択する。一般的には、アセチレンガス１００ｓｃｃｍの供給に対して酸素ガスを混合ガス供給手段１６より０．２〜２ｓｃｃｍ、第２の酸素ガス供給手段１７より０．２ｓｃｃｍ供給するのが良い。

（２）離型性
実施例及び比較例により得られたプレス成形用ガラス素材の離型性について、以下のように評価を行った。
離型性の良し悪しは光学素子成型素材をプレス成形し、冷却していったときにガラスが型から離れる温度により確認、判断する方法（特開平４−３１７４２６号記載の方法）を用いた。この時、離型時の温度が高いほど離型性が良いと判定できる。
ここで、プレス条件は、到達真空度 ７Ｐａ、窒素置換時間 ５分、酸素濃度を１０ｐｐｍ以下とし、上下金型温度はＡｔ＋（Ａｔ−Ｔｇ）／４に加熱し（ここで、Ａｔはガラス屈伏点温度、Ｔｇはガラス転移点温度）、ガラス加熱温度は上下金型温度＋１５０℃、プレス時間 ３分で、プレス成形用ガラス素材をプレスし、その後、１０℃／分の速度で冷却して、ガラスサイズ φ１２．０±０．０３ｍｍ、厚さ ２．５ｍｍ、ガラス変化量は厚さで０．５ｍｍである光学素子を製造した。
離型性の評価は、上記した通り、離型温度を比較することで行った。

実施例で用いたＴｇ５４１℃のホウ酸ランタン系ガラス素材ではカーボン膜なしでは離型温度の平均が３８５℃であり、酸素ガス供給なしでは離型温度の平均が５０１℃であった。本発明の第１の酸素ガスの供給が０．２ｓｃｃｍ（実施例１）では離型温度の平均が５１０℃であり本発明により離型性が向上していることがわかった。

以上のように、本発明によれば、短時間で安定した厚さの炭素膜を形成することができ、このとき、成膜速度は従来よりも向上しており、膜厚分布も良好なものとなっている。さらに、本発明により得られたガラス素材は、離型性にも優れており、プレス成形製品の生産性を向上させることもできる。

１…プレス成形用ガラス素材の製造装置、２…ワーク収納部、３…チューブ、４…熱処理炉、５…炭化水素供給手段、６…酸素供給手段、７…真空手段、８…均熱板、９，１０…熱電対

Claims (8)

1. ガラス素材を収容した熱処理炉内に炭化水素ガスを供給し、減圧下、供給した炭化水素を熱分解させて、前記ガラス素材表面に炭素膜を形成するプレス成形用ガラス素材の製造方法において、
   前記熱処理炉内に、炭化水素ガスと同時に酸素ガスを供給することを特徴とするプレス成形用ガラス素材の製造方法。
2. 前記炭化水素ガス及び酸素ガスを、混合ガスとして供給することを特徴とする請求項１記載のプレス成形用ガラス素材の製造方法。
3. 前記酸素ガスとは別に、前記熱処理炉内を撹拌するように酸素ガスを供給することを特徴とする請求項１又は２記載のプレス成形用ガラス素材の製造方法。
4. 前記炭化水素ガスと前記酸素ガスとの混合比が、モル比で炭化水素ガス１００に対して酸素ガスが０．２〜２．２であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載のプレス成形用ガラス素材の製造方法。
5. 前記炭化水素ガス及び酸素ガスの導入前に、前記熱処理炉内を減圧してから窒素ガスを導入し、熱処理炉内を乾燥処理することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のプレス成形用ガラス素材の製造方法。
6. ガラス素材を収容し、その内部を加熱することができる熱処理炉と、
   前記熱処理炉内に炭化水素ガスを供給する炭化水素供給手段と、
   前記熱処理炉内に酸素ガスを供給する酸素供給手段と、
   前記熱処理炉内を減圧する真空排気手段と、
   からなることを特徴とするプレス成形用ガラス素材の製造装置。
7. 前記熱処理炉内に窒素ガスを供給する窒素供給手段を有することを特徴とする請求項６記載のプレス成形用ガラス素材の製造装置。
8. 前記熱処理炉内に、前記酸素ガスとは別に、熱処理炉内を撹拌するように酸素ガスを供給する第２の酸素ガス供給手段を有することを特徴とする請求項６又は７記載のプレス成形用ガラス素材の製造装置。

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