JP2022118932A - 制御システム、通信装置および制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の制御信号を異なる伝送方法で出力するシステムにおいて制御精度を高める技術を提供する。【解決手段】制御システムは、アプリケーションプログラムを実行する演算部と、アプリケーションプログラムの実行結果に従って、第１の制御信号を出力する信号出力部と、アプリケーションプログラムの実行結果に従って、前記第１の制御信号の出力の基準となる同期信号に基づいて、クロック信号を直接的または間接的に用いる任意の通信方式で第２の制御信号を通信する通信部と、同期信号の周期の長さのずれを計測する計測部と、周期の長さのずれに基づいて、同期信号の１周期内に予め定められた周期数分のクロック信号が含まれるように、クロック信号の周期の長さを調整する調整部とを含む。【選択図】図１

Description

本発明は、制御システム、通信装置および制御方法に関する。

各種デバイスを制御するにあたって、様々な揺らぎ（ジッター）が誤差要因になり得る。例えば、特開２０００－０７８８７５号公報（特許文献１）は、位相同期ループを用いたサーボ制御において、位相検出器の精度誤差に起因するジッターを低減する技術を開示する。

位相検出器のような検出デバイスだけではなく、装置間の通信においてもジッターが生じ得る。例えば、特開２００６－１２７５１４号公報（特許文献２）は、同期情報を低ジッターで伝送できるモジュラー方式数値制御装置を開示する。

特開２０００－０７８８７５号公報 特開２００６－１２７５１４号公報

複数の機構を共通の制御装置で制御するようなシステムにおいては、それぞれの機構に対する制御を互いに同期させる必要がある。上述の先行技術文献は、このような課題について、何ら考慮されていない。

本発明の一つの目的は、複数の制御信号を異なる伝送方法で出力するシステムにおいて制御精度を高める技術を提供することである。

本発明の一例に従う制御システムは、アプリケーションプログラムを実行する演算部と、アプリケーションプログラムの実行結果に従って、第１の制御信号を出力する信号出力部と、アプリケーションプログラムの実行結果に従って、第１の制御信号の出力の基準となる同期信号に基づいて、クロック信号を直接的または間接的に用いる任意の通信方式で第２の制御信号を通信する通信部と、同期信号の周期の長さのずれを計測する計測部と、周期の長さのずれに基づいて、同期信号の１周期内に予め定められた周期数分のクロック信号が含まれるように、クロック信号の周期の長さを調整する調整部とを含む。

この構成によれば、第１の制御信号が出力される先の装置と、クロック信号を直接的または間接的に用いる任意の通信方式で第２の制御信号が出力される装置との動作をより正確に同期させることができる。

計測部は、同期信号に含まれるパルスエッジを検出する検出部と、同期信号のパルスエッジの検出でリセットされるカウンタとを含んでいてもよい。この構成によれば、同期信号の周期の開始あるいは終了のタイミングを検出できる。

調整部は、同期信号の新たな周期が開始されると、当該新たな周期の１つ前の周期の長さのずれに基づいて、当該新たな周期におけるクロック信号の周期の長さを決定してもよい。この構成によれば、同期信号に生じた周期の長さの揺らぎを次の周期で修整できる。

計測部は、予め計測された同期信号の１周期分の長さを基準として、周期の長さのずれを計測してもよい。この構成によれば、同期信号の周期の長さのゆらぎを相対的に算出できる。

計測部は、同期信号の周波数に対応する基準値との比較により、周期の長さのずれを計測してもよい。この構成によれば、同期信号の周期の長さのゆらぎを絶対的に算出できる。

通信部は、クロック信号の所定数分の周期に対応するフレームを用いて、第２の制御信号を送信してもよい。この構成によれば、第２の制御信号のフレーム単位で第１の制御信号と同期を維持できる。

同期信号の周期の長さは、クロック信号の周期の長さの整数倍になるように設定されてもよい。この構成によれば、第１の制御信号と第２の制御信号との同期をより容易に維持できる。

信号出力部は、送信すべき情報をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）により変調して第１の制御信号を生成してもよい。この構成によれば、第１の制御信号のキャリア周波数を基準として、第２の制御信号との同期をより容易に維持できる。

本発明の別の一例に従えば、アプリケーションプログラムを実行する演算部と、アプリケーションプログラムの実行結果に従って、第１の制御信号を出力する信号出力部とに接続された通信装置が提供される。通信装置は、アプリケーションプログラムの実行結果に従って、第１の制御信号の出力の基準となる同期信号に基づいて、クロック信号を直接的または間接的に用いる任意の通信方式で第２の制御信号を通信する通信部と、同期信号の周期の長さのずれを計測する計測部と、周期の長さのずれに基づいて、同期信号の１周期内に予め定められた周期数分のクロック信号が含まれるように、クロック信号の周期の長さを調整する調整部とを含む。

本発明のさらに別の一例に従う制御方法は、アプリケーションプログラムを実行するステップと、アプリケーションプログラムの実行結果に従って、第１の制御信号を出力するステップと、アプリケーションプログラムの実行結果に従って、第１の制御信号の出力の基準となる同期信号に基づいて、クロック信号を直接的または間接的に用いる任意の通信方式で第２の制御信号を通信するステップと、同期信号の周期の長さのずれを計測するステップと、周期の長さのずれに基づいて、同期信号の１周期内に予め定められた周期数分のクロック信号が含まれるように、クロック信号の周期の長さを調整するステップとを含む。

本発明のある局面によれば、複数の制御信号を異なる伝送方法で出力するシステムにおいて制御精度を高めることができる。

本実施の形態に係る制御システムの構成例を示す模式図である。 本実施の形態に係る制御システムの主要なハードウェア構成例を示す模式図である。 本実施の形態に係る制御システムのミラー制御信号の伝送に係るハードウェア構成例を示す模式図である。 本実施の形態に係る制御システムのミラー制御信号の具体例を示すタイムチャートである。 本実施の形態に係る制御システムの関連技術において生じ得る課題を説明するための模式図である。 本実施の形態に係る制御システムのレーザ制御ユニットにおける機能構成を示す模式図である。 本実施の形態に係る制御システムの同期を維持するための方法を説明するための図である。 本実施の形態に係る制御システムの同期を維持するための方法を説明するための図である。 本実施の形態に係る制御システムの同期を維持するための処理手順を示すフローチャートである。 本実施の形態に係る制御システムのミラー制御信号の別の伝送に係るハードウェア構成例を示す模式図である。 図１０に示すミラー制御信号の生成方法を説明するための図である。

本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰り返さない。

＜Ａ．適用例＞
まず、本発明が適用される場面の一例について説明する。

図１は、本実施の形態に係る制御システム１の構成例を示す模式図である。図１には、典型例として、レーザ加工システムの例を示すが、本発明を適用するアプリケーションは、何ら限定されるものではない。

制御システム１は、ＸＹステージ２０上に配置されたワーク４に対して、穴あけ、切断、マーキングなどのレーザ加工を行う。より具体的には、制御システム１は、制御装置１０と、ＸＹステージ２０と、レーザ３０と、ガルバノミラー４０とを含む。

ワーク４に対するレーザ加工は、ＸＹステージ２０によるワーク位置の調整と、レーザ３０が発生するレーザ光をガルバノミラー４０による照射位置の調整とを組み合わせる。ＸＹステージ２０によるワーク４の位置の調整は、変位量は相対的に大きく、かつ、応答時間は相対的に長い。これに対して、ガルバノミラー４０による照射位置の調整は、変位量は相対的に小さく、かつ、応答時間は相対的に短い。

制御装置１０は、主制御ユニット１００と、軸インターフェイスユニット２００と、レーザ制御ユニット３００とを含む。

主制御ユニット１００は、アプリケーションプログラム１１０（図２参照）を実行する演算部に相当する。アプリケーションプログラム１１０は、制御対象の機構およびワーク４などに応じて任意に作成される。主制御ユニット１００がアプリケーションプログラム１１０を実行して得られる実行結果は、軸インターフェイスユニット２００およびレーザ制御ユニット３００における制御信号の生成に用いられる。

軸インターフェイスユニット２００は、制御線５２を介して、ＸＹステージ２０と接続されており、ＸＹステージ２０を駆動するためのステージ制御信号５２０を出力する。ＸＹステージ２０は、ワーク４が配置されるプレート２２と、プレート２２とを駆動するサーボモータ２４およびサーボモータ２６とを含む。図１に示す例では、サーボモータ２４がプレート２２をＸ軸方向に変位させ、サーボモータ２６がプレート２２をＹ軸方向に変位させる。軸インターフェイスユニット２００からのステージ制御信号５２０は、サーボモータ２４およびサーボモータ２６を駆動するサーボドライバ２３およびサーボドライバ２５（図２参照）に与えられる。

レーザ制御ユニット３００は、一種の通信装置であり、制御線５３を介して、レーザ３０と接続されており、レーザ３０に対して、オン／オフを指示するレーザ制御信号５３０を出力する。また、レーザ制御ユニット３００は、通信線５４を介して、ガルバノミラー４０と接続されており、ガルバノミラー４０に対して、光学経路を指示するミラー制御信号５４０を出力する。ガルバノミラー４０は、Ｘ軸走査ミラー４３と、Ｙ軸走査ミラー４５と、レンズ４７とを含む。レーザ３０から照射された光は、レンズ４７、Ｙ軸走査ミラー４５、Ｘ軸走査ミラー４３の順に伝搬して、ＸＹステージ２０上に投射される。

Ｘ軸走査ミラー４３は、Ｘ軸走査モータ４２によって反射面の角度を調整され、Ｙ軸走査ミラー４５は、Ｙ軸走査モータ４４によって反射面の角度を調整される。レンズ４７は、Ｚ軸走査モータ４６によって、レーザ３０との相対距離を調整される。

ここで、ステージ制御信号５２０およびレーザ制御信号５３０の実体は、パルス信号などの電気信号であり、信号を受けるＸＹステージ２０およびレーザ３０は、パルス信号のレベル（電位あるいは電圧）またはレベル変化に応じて動作する。これに対して、ミラー制御信号５４０は、通信信号であり、ミラー制御信号５４０の実体は、任意のデータが変調された信号である。

本実施の形態に係る制御システム１においては、ＸＹステージ２０によるワーク位置の調整と、ガルバノミラー４０による照射位置の調整とを同期させる必要がある。一方で、ステージ制御信号５２０およびレーザ制御信号５３０と、ミラー制御信号５４０との間では、制御信号の伝送方法が異なっている。

本実施の形態は、このような制御信号の伝送方法の違いがあっても、より正確な同期を実現するための解決手段を提供する。

＜Ｂ．制御システム１のハードウェア構成例＞
次に、本実施の形態に係る制御システム１のハードウェア構成例について説明する。

図２は、本実施の形態に係る制御システム１の主要なハードウェア構成例を示す模式図である。上述したように、制御装置１０は、主制御ユニット１００と、軸インターフェイスユニット２００と、レーザ制御ユニット３００とを含む。

主制御ユニット１００は、主たるコンポーネントとして、プロセッサ１０２と、メインメモリ１０４と、ストレージ１０６と、バスコントローラ１１２とを含む。

ストレージ１０６には、ＳＳＤ（Solid State Disk）やフレッシュメモリなどで構成され、例えば、基本的なプログラム実行環境を提供するためのシステムプログラム１０８と、ワーク４に応じて任意に作成されるアプリケーションプログラム１１０とが格納される。

プロセッサ１０２は、典型的には、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＭＰＵ（Micro-Processing Unit）などで構成され、ストレージ１０６に格納されたシステムプログラム１０８およびアプリケーションプログラム１１０を読み出して、メインメモリ１０４に展開して実行することで、制御システム１の全体的な制御を実現する。

主制御ユニット１００は、内部バス１１４を介して、軸インターフェイスユニット２００およびレーザ制御ユニット３００と電気的に接続されている。バスコントローラ１１２は、内部バス１１４によるデータ通信を仲介する。

なお、プロセッサ１０２がプログラムを実行することで必要な処理が提供される構成例を示したが、これらの提供される処理の一部または全部を、専用のハードウェア回路（例えば、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）またはＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）など）を用いて実装してもよい。

軸インターフェイスユニット２００は、サーボドライバ２３およびサーボドライバ２５に与えられるステージ制御信号５２０を生成および出力する。より具体的には、軸インターフェイスユニット２００は、軸制御演算部２１０と、出力インターフェイス回路２２０とを含む。

軸制御演算部２１０は、主制御ユニット１００がアプリケーションプログラム１１０を実行することで算出される演算値（指令値）に従って、サーボドライバ２３およびサーボドライバ２５に与えるべき指令を生成する。軸制御演算部２１０は、例えば、プロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡなどを用いて構成される演算回路によって実現される。

軸制御演算部２１０は、クロック発生器２１２を有している。クロック発生器２１２は、軸インターフェイスユニット２００でのシステム同期基準となるクロック信号を発生する。クロック発生器２１２が発生するクロック信号は、出力インターフェイス回路２２０にも供給される。

出力インターフェイス回路２２０は、アプリケーションプログラム１１０の実行結果に従って、ステージ制御信号５２０（第１の制御信号）を出力する信号出力部に相当する。より具体的には、出力インターフェイス回路２２０は、軸制御演算部２１０によって生成された指令に従って、サーボドライバ２３およびサーボドライバ２５に与えるステージ制御信号５２０を生成する。ステージ制御信号５２０としては、各制御周期における変位量、速度、角速度などの情報をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）により変調した信号が用いられてもよい。すなわち、出力インターフェイス回路２２０は、送信すべき情報をＰＷＭにより変調してステージ制御信号５２０を生成してもよい。あるいは、変位量、速度、角速度などの情報をパルス数として変調した信号が用いられてもよい。

出力インターフェイス回路２２０は、クロック発生器２１２からのクロック信号に同期して、ステージ制御信号５２０を生成するとともに、サーボ制御同期信号５１０を生成して、レーザ制御ユニット３００へ出力する。サーボ制御同期信号５１０は、ステージ制御信号５２０の出力の基準となる同期信号であり、レーザ制御ユニット３００による制御タイミングをステージ制御信号５２０と同期させるための信号である。典型的には、サーボ制御同期信号５１０は、制御信号の生成あるいは出力のタイミングの同期基準として、パルスエッジ（立ち上がりエッジあるいは立ち下がりエッジ）を含むようにしてもよい。

なお、軸制御演算部２１０および出力インターフェイス回路２２０を単一のＡＳＩＣまたはＦＰＧＡで実現してもよい。

レーザ制御ユニット３００は、レーザ３０に与えられるレーザ制御信号５３０、および、ガルバノミラー４０に与えられるレーザ制御信号５３０を生成および出力する。より具体的には、レーザ制御ユニット３００は、レーザ制御演算部３１０と、出力インターフェイス回路３１４と、通信インターフェイス回路３１６とを含む。

レーザ制御演算部３１０は、主制御ユニット１００がアプリケーションプログラム１１０を実行することで算出される演算値（指令値）に従って、レーザ３０およびガルバノミラー４０に与えるべき指令を生成する。レーザ制御演算部３１０は、例えば、プロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡなどを用いて構成される演算回路によって実現される。レーザ制御演算部３１０は、ガルバノミラー４０と通信に用いるクロック信号５４１（図３参照）を生成するクロック発生器３１２を有している。

レーザ制御演算部３１０は、軸インターフェイスユニット２００からのサーボ制御同期信号５１０と同期させて、レーザ制御信号５３０およびミラー制御信号５４０を生成する。後述するように、レーザ制御演算部３１０は、軸インターフェイスユニット２００が出力するサーボ制御同期信号５１０を監視する機能を有している。

出力インターフェイス回路３１４は、レーザ制御演算部３１０によって生成された指令に従って、レーザ３０に与えるレーザ制御信号５３０を生成する。レーザ制御信号５３０としては、オン／オフの２レベルを有する信号が用いられてもよい。

通信インターフェイス回路３１６は、アプリケーションプログラム１１０の実行結果に従って、クロック信号を直接的または間接的に用いる任意の通信方式でレーザ制御信号５３０（第２の制御信号）を通信する通信部に相当する。具体的には、通信インターフェイス回路３１６は、ガルバノミラー４０と通信を行って、レーザ制御演算部３１０によって生成された指令をガルバノミラー４０へ伝送する。通信インターフェイス回路３１６とガルバノミラー４０との間の通信は、例えば、ＸＹ２－１００プロトコル（走査角度範囲を１６ビットの精度で指定する方式）や、ＳＬ２－１００プロトコル（走査角度範囲を２０ビットの精度で指定する方式）などを用いることができる。なお、このようなガルバノミラーあるいはガルバノスキャナに特有の通信プロトコルに限らず、クロック信号を直接的または間接的に用いる任意の通信方式に適用可能である。

なお、レーザ制御演算部３１０、出力インターフェイス回路３１４および通信インターフェイス回路３１６を単一のＡＳＩＣまたはＦＰＧＡで実現してもよい。

＜Ｃ．ミラー制御信号５４０＞
次に、通信線５４を介したミラー制御信号５４０の伝送に係る構成について説明する。

図３は、本実施の形態に係る制御システム１のミラー制御信号５４０の伝送に係るハードウェア構成例を示す模式図である。図３には、ミラー制御信号５４０を伝送するプロトコルとして、ＸＹ２－１００プロトコルを採用した例を示す。ＸＹ２－１００プロトコルは、クロック信号を直接的に用いるクロック同期式シリアル通信に分類される。

図３を参照して、ＸＹ２－１００プロトコルを採用した場合には、ミラー制御信号５４０は、レーザ制御ユニット３００からガルバノミラー４０へ伝送される情報として、Ｘ軸走査指令角度５４３（Ｘ ＤＡＴＡ）と、Ｙ軸走査指令角度５４４（Ｙ ＤＡＴＡ）と、Ｚ軸走査指令角度５４５（Ｚ ＤＡＴＡ）とを含む。また、ミラー制御信号５４０は、ガルバノミラー４０からレーザ制御ユニット３００へ伝送される情報として、ＸＹ軸現在値５４６（ＸＹ ＳＴＡＴＵＳ）と、Ｚ軸現在値５４７（Ｚ ＳＴＡＴＵＳ）とを含む。

さらに、ミラー制御信号５４０は、クロック信号５４１（ＣＬＯＣＫ）および同期基準信号５４２（ＳＹＮＣ）を含む。

通信インターフェイス回路３１６は、各信号の送受信を行うためのドライバ回路を含む。

図４は、本実施の形態に係る制御システム１のミラー制御信号５４０の具体例を示すタイムチャートである。図４を参照して、走査指令角度（Ｘ軸走査指令角度５４３、Ｙ軸走査指令角度５４４、Ｚ軸走査指令角度５４５）の各々として、クロック信号５４１に同期した、フレーム５４８を構成する各ビットが逐次送出される。同様に、現在値（ＸＹ軸現在値５４６およびＺ軸現在値５４７）の各々として、クロック信号５４１に同期した、フレーム５４９を構成する各ビットが逐次送出される。

同期基準信号５４２は、走査指令角度および現在値を送出するタイミングを示す。図４に示す例では、走査指令角度および現在値の各々は、２０ビットで１つのフレームを構成する。すなわち、クロック信号５４１の２０サイクルで１つの情報が伝送されることになる。クロック信号５４１は、例えば、２ＭＨｚ（１周期が５００ｎｓ）のパルス信号であるので、１０μｓ毎にフレームが伝送されることになる。

このように、レーザ制御ユニット３００の通信インターフェイス回路３１６は、クロック信号５４１の所定数分の周期に対応するフレームを用いて、ミラー制御信号５４０を送信する。

＜Ｄ．同期に係る課題＞
次に、本実施の形態に係る制御システム１の関連技術において生じ得る課題について説明する。

図５は、本実施の形態に係る制御システム１の関連技術において生じ得る課題を説明するための模式図である。図５（Ａ）を参照して、所定の周期をもつサーボ制御同期信号５１０と、ミラー制御信号５４０に含まれるフレームとが同期している状態が理想である。すなわち、制御システム１においては、サーボ制御同期信号５１０の開始および終了タイミングと、ミラー制御信号５４０に含まれるフレームの開始および終了タイミング（フレームの切れ目）とが一致することが好ましい。

しかしながら、上述の図２に示すように、軸インターフェイスユニット２００のクロック発生器２１２と、レーザ制御ユニット３００のクロック発生器３１２とは、互いに連係しておらず、それぞれ独立してクロック信号を発生する。すなわち、基本的な構成だけでは、サーボ制御同期信号５１０の周期とミラー制御信号５４０の周期とを同期させる仕組みが存在しない。

また、図５（Ｂ）に示すように、サーボ制御同期信号５１０の周期自体にジッターが発生し得るとともに、ミラー制御信号５４０に含まれるクロック信号５４１にもジッターが発生し得る。なお、サーボ制御同期信号５１０に生じるジッターは、クロック周波数（１００ｋＨｚ～４Ｈｚ）の数１００ｐｐｍ（Part Par Million）である。また、サーボ制御同期信号５１０の送受信回路に生じる回路ジッターは、数１０ｎｓ程度である。一方、ミラー制御信号５４０に生じるジッターは、数１００ｎｓ～数μｓ程度である。

本実施の形態に係る制御システム１は、サーボ制御同期信号５１０とミラー制御信号５４０との同期を維持する仕組みを採用する。以下では、サーボ制御同期信号５１０とミラー制御信号５４０との同期を維持する仕組みの一例として、ミラー制御信号５４０のクロック信号５４１の周期の長さを調整する方法について説明するが、サーボ制御同期信号５１０の周期の長さを調整するようにしてもよい。

＜Ｅ．解決手段＞
次に、上述したような課題を解決するための解決手段の典型例について説明する。

図６は、本実施の形態に係る制御システム１のレーザ制御ユニット３００における機能構成を示す模式図である。図６を参照して、レーザ制御ユニット３００は、クロック発生器３１２に加えて、計測部３２０と、周期調整部３３０とを含む。

計測部３２０は、サーボ制御同期信号５１０の周期の長さのずれを計測する。より具体的には、計測部３２０は、パルスエッジ検出部３２２と、カウンタ３２４と、差分計測部３２６とを含む。

パルスエッジ検出部３２２は、サーボ制御同期信号５１０に含まれるパルスエッジ（以下に示す例では、立ち上がりエッジ）を検出する。パルスエッジ検出部３２２の検出結果（トリガ）は、カウンタ３２４および差分計測部３２６へ出力される。

カウンタ３２４は、所定周期でカウントアップ（あるいは、カウントダウン）する計時手段である。例えば、周期１０ｎｓでカウント値を更新する。カウンタ３２４は、パルスエッジ検出部３２２からのトリガでカウント値をリセットする。すなわち、カウンタ３２４は、サーボ制御同期信号５１０のパルスエッジの検出でリセットされる。

差分計測部３２６は、パルスエッジ検出部３２２からのトリガに応じて、カウンタ３２４からカウント値を読み出して、読み出したカウント値を基準値（例えば、過去に読み出したカウント値、あるいは、予め設定された固定値）と比較して、差分を算出する。差分計測部３２６は、算出した差分を周期調整部３３０へ出力する。

周期調整部３３０は、計測部３２０により計測された差分（サーボ制御同期信号５１０の周期の長さのずれ）に従って、クロック発生器３１２が発生するクロック信号（ミラー制御信号５４０に含まれるクロック信号５４１）の周期の長さを設定あるいは変更する。このとき、周期調整部３３０は、サーボ制御同期信号５１０の周期の長さのずれに基づいて、サーボ制御同期信号５１０の１周期内に予め定められた周期数分のクロック信号５４１が含まれるように、クロック信号５４１の周期の長さを調整する。この周期の長さの調整方法の詳細については、後述する。

本実施の形態に係る制御システム１は、図６に示すような機能構成を用いて、サーボ制御同期信号５１０とミラー制御信号５４０との同期を維持する。以下、本実施の形態に係る制御システム１における同期を維持するための方法について説明する。

図７および図８は、本実施の形態に係る制御システム１の同期を維持するための方法を説明するための図である。図７および図８には、サーボ制御同期信号５１０の周波数が１０ｋＨｚ（周期１００μｓ＝１００，０００ｎｓ）である例を示す。

図７に示す例においては、サーボ制御同期信号５１０は、時刻ｔ２から時刻ｔ３の周期において、ジッターにより本来の周期の長さから２０ｎｓだけ短くなっているとする。一方、図８に示す例においては、サーボ制御同期信号５１０は、時刻ｔ２から時刻ｔ３の周期において、ジッターにより本来の周期の長さから２０ｎｓだけ長くなっているとする。

また、ミラー制御信号５４０に含まれるクロック信号５４１の基準の周期の長さは、５００ｎｓ（発振周波数２ＭＨｚ）であるとする。上述したように、ミラー制御信号５４０は、クロック信号５４１に同期して、フレームを構成する各ビットが逐次送出されるので、サーボ制御同期信号５１０の各周期に含まれるクロック信号５４１の数（すなわち、フレーム数）を一定に維持する必要がある。

サーボ制御同期信号５１０の周期の長さに応じて、クロック信号５４１の周期の長さを適宜変更することで、サーボ制御同期信号５１０の各周期に含まれるフレーム数を一定に維持する。なお、サーボ制御同期信号５１０の周期の長さと、ミラー制御信号５４０のクロック信号５４１の周期の長さとは、整数倍の関係が維持されているものとする。すなわち、サーボ制御同期信号５１０の周期の長さは、ミラー制御信号５４０に含まれるクロック信号５４１の周期の長さの整数倍になるように設定される。

サーボ制御同期信号５１０の周期の長さは、レーザ制御ユニット３００のカウンタ３２４（図６参照）によって計測される。例えば、カウンタ３２４がカウントアップする周期の長さを１０ｎｓとすると、サーボ制御同期信号５１０の本来の１周期（１００，０００ｎｓ）において、カウンタ３２４は「１００００」をカウントする。

一方で、時刻ｔ２から時刻ｔ３の周期において、サーボ制御同期信号５１０の周期の長さが９８，０００ｎｓに変動した場合には、カウンタ３２４のカウント値は「９９９８」となる。

このように、カウンタ３２４が計測するカウント値に基づいて、クロック信号５４１の周期の長さが調整される。

図７を参照して、動作について説明すると、時刻ｔ１において、サーボ制御同期信号５１０の立ち上がりが検出されると、カウンタ３２４がリセットされて、カウントが開始される。その後、時刻ｔ２において、サーボ制御同期信号５１０の立ち上がりが再度検出されると、当該タイミングにおけるカウンタ３２４のカウント値（「１００００」）が取得された後に、カウンタ３２４がリセットされて、カウントが再度開始される。さらにその後、時刻ｔ３において、サーボ制御同期信号５１０の立ち上がりが再度検出されると、当該タイミングにおけるカウンタ３２４のカウント値（「９９９８」）が取得された後に、カウンタ３２４がリセットされて、カウントが再度開始される。

時刻ｔ２から時刻ｔ３の周期において計測されたカウント値（「９９９８」）は、本来のカウント値（「１００００」）に比較して、「２」（＝２０ｎｓ分）だけ少ないので、時刻ｔ２から時刻ｔ３の周期の長さが２０ｎｓだけ短かったと判断できる。すなわち、クロック信号５４１は、サーボ制御同期信号５１０に対して２０ｎｓだけ進んでいると判断できる。この２０ｎｓの進みを補正するために、クロック信号５４１の２周期分については、本来の５００ｎｓから１０ｎｓだけ短くした４９０ｎｓに周期の長さを変更する。４９０ｎｓの周期をもつクロック信号５４１を２周期分だけ出力した後、周期の長さを本来の５００ｎｓに戻す。

すなわち、時刻ｔ２から時刻ｔ３の周期において生じたクロック信号５４１の進みを、次の時刻ｔ３から時刻ｔ４の周期において補正する。

一方、図８の例では、時刻ｔ３において、サーボ制御同期信号５１０の立ち上がりが再度検出されると、当該タイミングにおけるカウンタ３２４のカウント値（「１０００２」）が取得された後に、カウンタ３２４がリセットされて、カウントが再度開始される。

時刻ｔ２から時刻ｔ３の周期において計測されたカウント値（「１０００２」）は、本来のカウント値（「１００００」）に比較して、「２」（＝２０ｎｓ分）だけ多いので、時刻ｔ２から時刻ｔ３の周期の長さが２０ｎｓだけ長かったと判断できる。すなわち、クロック信号５４１は、サーボ制御同期信号５１０に対して２０ｎｓだけ遅れていると判断できる。この２０ｎｓの遅れを補正するために、クロック信号５４１の２周期分については、本来の５００ｎｓから１０ｎｓだけ長くした５１０ｎｓに周期の長さを変更する。５１０ｎｓの周期の長さをもつクロック信号５４１を２周期分だけ出力した後、周期の長さを本来の５００ｎｓに戻す。

すなわち、時刻ｔ２から時刻ｔ３の周期において生じたクロック信号５４１の遅れを、次の時刻ｔ３から時刻ｔ４の周期において補正する。

なお、図７および図８には、クロック信号５４１の周期の長さを１０ｎｓ単位で変更する例を示すが、周期の長さを変更する単位は、クロック発生器３１２のスペックなどに応じて適宜設定できる。

上述したように、周期調整部３３０は、サーボ制御同期信号５１０の新たな周期が開始されると、当該新たな周期の１つ前の周期の長さのずれに基づいて、当該新たな周期におけるクロック信号５４１の周期の長さを決定する。図７および図８には、サーボ制御同期信号５１０の新たな周期が開始された直後にクロック信号５４１の周期の長さを変更する例を示すが、クロック信号５４１の周期の長さを変更するタイミングは、対象の周期内のいずれの位置（位相）であってもよい。

図９は、本実施の形態に係る制御システム１の同期を維持するための処理手順を示すフローチャートである。図９に示す各ステップは、典型的には、レーザ制御ユニット３００のレーザ制御演算部３１０によって実行される。

図９を参照して、レーザ制御ユニット３００は、サーボ制御同期信号５１０に含まれるパルスエッジを検出したか否かを判断する（ステップＳ１００）。サーボ制御同期信号５１０に含まれるパルスエッジが検出されなければ（ステップＳ１００においてＮＯ）、ステップＳ１００の処理が繰り返される。

サーボ制御同期信号５１０に含まれるパルスエッジが検出されると（ステップＳ１００においてＹＥＳ）、レーザ制御ユニット３００は、カウンタ３２４に格納されているカウント値を読み出し（ステップＳ１０２）、読み出したカウント値と先に格納されている基準値との差分を算出する（ステップＳ１０４）。そして、レーザ制御ユニット３００は、カウンタ３２４をリセットする（ステップＳ１０６）。また、レーザ制御ユニット３００は、読み出したカウント値を基準値として格納する（ステップＳ１０８）。すなわち、直前の周期において計測されたカウント値が次の周期で基準値として用いられる。

レーザ制御ユニット３００は、算出した差分に基づいて、クロック信号５４１の周期設定を決定する（ステップＳ１１０）。そして、レーザ制御ユニット３００は、決定した周期設定に従って、クロック信号５４１の周期の長さを変更する（ステップＳ１１２）。決定した周期設定に従う変更の対象周期が終了すると、レーザ制御ユニット３００は、クロック信号５４１の周期の長さを元に戻す（ステップＳ１１４）。

そして、ステップＳ１００以下の処理が繰り返される。
上述の処理手順において、計測部３２０は、予め計測されたサーボ制御同期信号５１０の１周期分の長さを基準として、サーボ制御同期信号５１０の周期の長さのずれを計測する。すなわち、基準値として１つ前の周期において計測されたカウント値が用いられる。

但し、これに限られず、サーボ制御同期信号５１０のクロック周波数（例えば、１０ｋＨｚ）に応じた固定値（例えば、１００００カウント）を基準値として設定してもよい。すなわち、計測部３２０は、サーボ制御同期信号５１０のクロック周波数に対応する基準値との比較により、サーボ制御同期信号５１０の周期の長さのずれを計測するようにしてもよい。この場合、ステップＳ１０８の処理は不要となり、代わりに、サーボ制御同期信号５１０のクロック周波数を取得して、基準値を決定する処理が採用される。

あるいは、動作開始直後の所定数の周期に亘ってサーボ制御同期信号５１０を観測することで、サーボ制御同期信号５１０の周期の長さに対応する基準値を決定してもよい。この場合には、ステップＳ１０８の処理は不要となり、代わりに、サーボ制御同期信号５１０の周期の長さを観測することで、サーボ制御同期信号５１０の周期の長さに対応する基準値を決定する処理が採用される。

＜Ｆ．その他の実施の形態＞
上述の説明においては、主として、ＸＹ２－１００プロトコルを採用した例について説明したが、本解決手段は、クロック信号を間接的に用いる通信方式に適用可能である。

図１０は、本実施の形態に係る制御システム１のミラー制御信号５４０の別の伝送に係るハードウェア構成例を示す模式図である。図１０には、ミラー制御信号５４０を伝送するプロトコルとして、ＳＬ２－１００プロトコルを採用した例を示す。ＳＬ２－１００プロトコルは、クロック信号を間接的に用いるクロック非同期式シリアル通信に分類される。

図１０を参照して、ＳＬ２－１００プロトコルを採用した場合には、ミラー制御信号５４０は、レーザ制御ユニット３００からガルバノミラー４０へ伝送される情報として、Ｘ軸およびＹ軸についての入力データ５５１（ＸＹ－ＩＮ）と、Ｘ軸およびＹ軸についての出力データ５５２（ＸＹ－ＯＵＴ）と、Ｚ軸についての入力データ５５３（Ｚ－ＩＮ）と、Ｚ軸についての出力データ５５４（Ｚ－ＯＵＴ）とを含む。

なお、ミラー制御信号５４０は、クロック信号（ＣＬＯＣＫ）および同期基準信号（ＳＹＮＣ）を含まない。

図１１は、図１０に示すミラー制御信号５４０の生成方法を説明するための図である。図１１（Ａ）に示すように、ミラー制御信号５４０は、時間的に連続するフレームから構成される。所定数（例えば、１９２個）のフレームが１つのチャネルステータスブロックを構成する。フレームの各々は、２つのサブフレームを含んでいる。各サブフレームは、先頭にプリアンブルを含む。

図１１（Ｂ）に示すように、ミラー制御信号は、二値化データをクロック信号で変調することで生成されるバイフェーズマスクデータから構成される。バイフェーズマスクデータを生成するためのクロック信号の周期の長さが上述したような方法で調整される。すなわち、クロック信号の周期の長さを調整することで、各フレームあるいは各サブフレームの長さが伸張することになり、サーボ制御同期信号５１０の周期と同期させることができる。

このように、クロック信号を間接的に用いる通信方式であっても、サーボ制御同期信号５１０とミラー制御信号５４０との同期を維持することができる。

＜Ｇ．利点＞
本実施の形態によれば、周期的な時間波形をもつ同期信号と同期して第１の制御信号が出力される先の装置と、クロック信号を直接的または間接的に用いる任意の通信方式で第２の制御信号が出力される装置との動作をより正確に同期させることができる。

＜Ｈ．付記＞
上述したような本実施の形態は、以下のような技術思想を含む。

［構成１］
アプリケーションプログラム（１１０）を実行する演算部（１００）と、
前記アプリケーションプログラムの実行結果に従って、第１の制御信号（５２０）を出力する信号出力部（２２０）と、
前記アプリケーションプログラムの実行結果に従って、前記第１の制御信号の出力の基準となる同期信号（５１０）に基づいて、クロック信号（５４１）を直接的または間接的に用いる任意の通信方式で第２の制御信号（５４０）を通信する通信部（３１６）と、
前記同期信号の周期の長さのずれを計測する計測部（３２０）と、
前記周期の長さのずれに基づいて、前記同期信号の１周期内に予め定められた周期数分の前記クロック信号が含まれるように、前記クロック信号の周期の長さを調整する調整部（３３０）とを備える、制御システム。

［構成２］
前記計測部は、
前記同期信号に含まれるパルスエッジを検出する検出部（３２２）と、
前記同期信号のパルスエッジの検出でリセットされるカウンタ（３２４）とを含む、構成１に記載の制御システム。

［構成３］
前記調整部は、前記同期信号の新たな周期が開始されると、当該新たな周期の１つ前の周期の長さのずれに基づいて、当該新たな周期における前記クロック信号の周期の長さを決定する、構成１または２に記載の制御システム。

［構成４］
前記計測部は、予め計測された前記同期信号の１周期分の長さを基準として、周期の長さのずれを計測する、構成１～３のいずれか１項に記載の制御システム。

［構成５］
前記計測部は、前記同期信号の周波数に対応する基準値との比較により、周期の長さのずれを計測する、構成１～３のいずれか１項に記載の制御システム。

［構成６］
前記通信部は、前記クロック信号の所定数分の周期に対応するフレーム（５４８）を用いて、前記第２の制御信号を送信する、構成１～５のいずれか１項に記載の制御システム。

［構成７］
前記同期信号の周期の長さは、前記クロック信号の周期の長さの整数倍になるように設定される、構成１～６のいずれか１項に記載の制御システム。

［構成８］
前記信号出力部は、送信すべき情報をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）により変調して前記第１の制御信号を生成する、構成１～７のいずれか１項に記載の制御システム。

［構成９］
アプリケーションプログラム（１１０）を実行する演算部（１００）と、前記アプリケーションプログラムの実行結果に従って、第１の制御信号を出力する信号出力部とに接続された通信装置（３００）であって、
前記アプリケーションプログラムの実行結果に従って、前記第１の制御信号の出力の基準となる同期信号（５１０）に基づいて、クロック信号を直接的または間接的に用いる任意の通信方式で第２の制御信号を通信する通信部（３１６）と、
前記同期信号の周期の長さのずれを計測する計測部（３２０）と、
前記周期の長さのずれに基づいて、前記同期信号の１周期内に予め定められた周期数分の前記クロック信号が含まれるように、前記クロック信号の周期の長さを調整する調整部（３３０）とを備える、通信装置。

［構成１０］
アプリケーションプログラムを実行するステップ（１００）と、
前記アプリケーションプログラムの実行結果に従って、第１の制御信号（５２０）を出力するステップ（２２０）と、
前記アプリケーションプログラムの実行結果に従って、前記第１の制御信号の出力の基準となる同期信号（５１０）に基づいて、クロック信号を直接的または間接的に用いる任意の通信方式で第２の制御信号を通信するステップ（Ｓ１００，Ｓ１０２）と、
前記同期信号の周期の長さのずれを計測するステップ（Ｓ１０４）と、
前記周期の長さのずれに基づいて、前記同期信号の１周期内に予め定められた周期数分の前記クロック信号が含まれるように、前記クロック信号の周期の長さを調整するステップ（Ｓ１１０，Ｓ１１２，１１４）とを備える、制御方法。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 制御システム、４ ワーク、１０ 制御装置、２０ ＸＹステージ、２２ プレート、２３，２５ サーボドライバ、２４，２６ サーボモータ、３０ レーザ、４０ ガルバノミラー、４２ Ｘ軸走査モータ、４３ Ｘ軸走査ミラー、４４ Ｙ軸走査モータ、４５ Ｙ軸走査ミラー、４６ Ｚ軸走査モータ、４７ レンズ、５２，５３ 制御線、５４ 通信線、１００ 主制御ユニット、１０２ プロセッサ、１０４ メインメモリ、１０６ ストレージ、１０８ システムプログラム、１１０ アプリケーションプログラム、１１２ バスコントローラ、１１４ 内部バス、２１２，３１２ クロック発生器、２００ 軸インターフェイスユニット、２１０ 軸制御演算部、２２０，３１４ 出力インターフェイス回路、３００ レーザ制御ユニット、３１０ レーザ制御演算部、３１６ 通信インターフェイス回路、３２０ 計測部、３２２ パルスエッジ検出部、３２４ カウンタ、３２６ 差分計測部、３３０ 周期調整部、５１０ サーボ制御同期信号、５２０ ステージ制御信号、５３０ レーザ制御信号、５４０ ミラー制御信号、５４１ クロック信号、５４２ 同期基準信号、５４３ Ｘ軸走査指令角度、５４４ Ｙ軸走査指令角度、５４５ Ｚ軸走査指令角度、５４６ ＸＹ軸現在値、５４７ Ｚ軸現在値、５４８，５４９ フレーム、５５１，５５３ 入力データ、５５２，５５４ 出力データ。

Claims (10)

1. アプリケーションプログラムを実行する演算部と、
   前記アプリケーションプログラムの実行結果に従って、第１の制御信号を出力する信号出力部と、
   前記アプリケーションプログラムの実行結果に従って、前記第１の制御信号の出力の基準となる同期信号に基づいて、クロック信号を直接的または間接的に用いる任意の通信方式で第２の制御信号を通信する通信部と、
   前記同期信号の周期の長さのずれを計測する計測部と、
   前記周期の長さのずれに基づいて、前記同期信号の１周期内に予め定められた周期数分の前記クロック信号が含まれるように、前記クロック信号の周期の長さを調整する調整部とを備える、制御システム。
2. 前記計測部は、
   前記同期信号に含まれるパルスエッジを検出する検出部と、
   前記同期信号のパルスエッジの検出でリセットされるカウンタとを含む、請求項１に記載の制御システム。
3. 前記調整部は、前記同期信号の新たな周期が開始されると、当該新たな周期の１つ前の周期の長さのずれに基づいて、当該新たな周期における前記クロック信号の周期の長さを決定する、請求項１または２に記載の制御システム。
4. 前記計測部は、予め計測された前記同期信号の１周期分の長さを基準として、周期の長さのずれを計測する、請求項１～３のいずれか１項に記載の制御システム。
5. 前記計測部は、前記同期信号の周波数に対応する基準値との比較により、周期の長さのずれを計測する、請求項１～３のいずれか１項に記載の制御システム。
6. 前記通信部は、前記クロック信号の所定数分の周期に対応するフレームを用いて、前記第２の制御信号を送信する、請求項１～５のいずれか１項に記載の制御システム。
7. 前記同期信号の周期の長さは、前記クロック信号の周期の長さの整数倍になるように設定される、請求項１～６のいずれか１項に記載の制御システム。
8. 前記信号出力部は、送信すべき情報をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）により変調して前記第１の制御信号を生成する、請求項１～７のいずれか１項に記載の制御システム。
9. アプリケーションプログラムを実行する演算部と、前記アプリケーションプログラムの実行結果に従って、第１の制御信号を出力する信号出力部とに接続された通信装置であって、
   前記アプリケーションプログラムの実行結果に従って、前記第１の制御信号の出力の基準となる同期信号に基づいて、クロック信号を直接的または間接的に用いる任意の通信方式で第２の制御信号を通信する通信部と、
   前記同期信号の周期の長さのずれを計測する計測部と、
   前記周期の長さのずれに基づいて、前記同期信号の１周期内に予め定められた周期数分の前記クロック信号が含まれるように、前記クロック信号の周期の長さを調整する調整部とを備える、通信装置。
10. アプリケーションプログラムを実行するステップと、
    前記アプリケーションプログラムの実行結果に従って、第１の制御信号を出力するステップと、
    前記アプリケーションプログラムの実行結果に従って、前記第１の制御信号の出力の基準となる同期信号に基づいて、クロック信号を直接的または間接的に用いる任意の通信方式で第２の制御信号を通信するステップと、
    前記同期信号の周期の長さのずれを計測するステップと、
    前記周期の長さのずれに基づいて、前記同期信号の１周期内に予め定められた周期数分の前記クロック信号が含まれるように、前記クロック信号の周期の長さを調整するステップとを備える、制御方法。
    

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