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Multi-Input Speech Emotion Recognition Model Using Mel Spectrogram and GeMAPS
Get PDFThe existing research on emotion recognition commonly uses mel spectrogram (MelSpec) and Geneva minimalistic acoustic parameter set (GeMAPS) as acoustic parameters to learn the audio features. MelSpec can represent the time-series variations of each frequency but cannot manage multiple types of audio features. On the other hand, GeMAPS can handle multiple audio features but fails to provide information on their time-series variations. Thus, this study proposes a speech emotion recognition model based on a multi-input deep neural network that simultaneously learns these two audio features. The proposed model comprises three parts, specifically, for learning MelSpec in image format, learning GeMAPS in vector format, and integrating them to predict the emotion. Additionally, a focal loss function is introduced to address the imbalanced data problem among the emotion classes. The results of the recognition experiments demonstrate weighted and unweighted accuracies of 0.6657 and 0.6149, respectively, which are higher than or comparable to those of the existing state-of-the-art methods. Overall, the proposed model significantly improves the recognition accuracy of the emotion “happiness”, which has been difficult to identify in previous studies owing to limited data. Therefore, the proposed model can effectively recognize emotions from speech and can be applied for practical purposes with future development.journal articl
An efficient combination of topology optimization and parameter optimization for electromagnetic devices
Get PDFA novel hybrid optimization (HO) method efficiently combines parameter optimization (PO) and topology optimization (TO) is proposed. The novelty concerns introducing the mesh deformation technique for model regeneration to make a connection between the TO and PO, in this way, the geometric features can be inherited in iterative optimization to fasten the convergence. The proposed HO is applied to the optimal design of a baseline V-type permanent magnet synchronous machine (PMSM), in which the topology of air barriers and the layout parameters of permanent magnets (PMs) are simultaneously optimized, for torque property enhancement. Comparative numerical results show that the proposed HO is more efficient in optimal solution searching compared with traditional methods, as good topological features can be inherited in the iterative optimization. The numerical results also indicate that the proposed HO has good compatibility with different solvers, it can always provide good convergence to provide PMSM designs with excellent torque property when an evolutionary algorithm such as a genetic algorithm and evolution strategy is used as the solver.journal articl
実規模実験に基づく落石防護擁壁および防護柵基礎の合理的設計手法の確立に関する研究
Get PDF室蘭工業大学Muroran Institute of Technology博士（工学）doctoral thesi
Research of Mechanical Properties of NITE SiC Matrix Composites Reinforced by Carbon Fibers
Get PDF室蘭工業大学Muroran Institute of Technology博士（工学）学位論文は
NITE 法で製作した炭素繊維強化 SiC 基複合材料（ C/SiC 複合材料の）の強化
材に使用する炭素繊維の機械特性や微細組織が C/SiC 複合材料の強度と靭性に及ぼす影響
について多面的な評価を行ってまとめたもので、全 7 章からなっている。第 1 章の序論で
研究背景と把握しておくべき知見を述べている。 C/SIC 複合材料は安価な炭素繊維と耐酸化
性の SiC マトリックスを組み合わせた材料で、様々な製造方法で 20 世紀から研究されてい
る材料であるが、本研究の主要テーマであるナノ含侵遷移共晶相法（ NITE 法）で C/SiC 複
合材料が製作された歴史は無く、中間素材の開発と複合材料の試作の段階にある。概ね
SiC/SiC 複合材料と炭素繊維強化プラスチックの延長線上の知見 で開発が進められている
が、強化材である炭素繊維の強度特性や界面反応性の体系的な知見が無い。本章では研究に
おいて基本となる背景と強化繊維の種類や特徴について述べている。第 2 章では NITE 法に
よる複合材料の製造法とプロセス条件に伴う評価内容について述べている。特に NITE 法で
は焼結前のプリプレグの段階で繊維束内部にマトリックス原料を配置するのは課題である
が、本研究で用いる一方向繊維（ UD のプリプレグへの含侵手法を基礎にして、将来の織布
への含侵手法の研究を行っている。第 3 章では室温における機械特性評価で、引張試 験、曲
げ試験による強度評価と SENB 法による靭性評価を実施している。強度試験における強度と
弾性率の比較から、製造時に導入されるマトリックスの導入されるクラックの影響を論じ、
併せて炭素繊維の強度特性が製造プロセスから影響を受けている可能性を指摘した。また
SENB 試験による靭性評価では炭素繊維の種類によって複合材料のマトリックスクラック形
成に対する抵抗力に大きな差があることを指摘した。第 4 章は高温エネルギーシステムな
どでの使用環境における挙動研究のために、 NITE C /SiC 複合材料の高温引張強度研究を行
ってい る。 2 種類の繊維とも 1000 ℃においては室温よりも引張強度と弾性率が向上する。
1830 ℃で製造された C/SiC 複合材料は室温においては大きな熱ひずみを有するが、高温で
はひずみが緩和されるので設計における尤度が増加することを示した。第 5 章は走査電子
顕微鏡と透過電子顕微鏡を用いた微細組織評価である。 SEM によるマトリックスクラックの
評価から、炭素繊維と SiC マトリックスの熱膨張率差によって、製造時に導入されるマトリ
ックスクラック数が全く異なることを示した。 TEM 観察では、炭素繊維の種類により微細組
織がアモルファ スから結晶質まで全く異なっており、アモルファス組織の炭素繊維は NITE
法のプロセスの中で、焼結時の加圧による結晶化、もしくは焼結助剤との化学反応により、
繊維が大きな損傷を受けることを示し、プロセス時における結晶性繊維の安定性を見出し
た。第 6 章は高温加圧下における炭素繊維の結晶化挙動を評価するために、熱間等方圧加圧
による炭素繊維の処理と引張試験を行って、 NITE プロセス時の高温加圧の影響と、化学反
応の影響を分けて評価することを試み、第 7 章で総括としている。This thesis aims to contribute establishment of high performance aerospace system, quality energy source for the future by development advanced ceramic composites. NITE C/SiC composites are expected to have attractive properties due to its high strength at elevated temperature and high toughness due to their carbon fiber reinforcement, but the compatibility of the NITE method and various carbon fibers had not been noted. This thesis focuses on the effect of the mechanical properties of the fibers to the properties of C/SiC composites and discusses the character modifications caused by the NITE process to find out the appropriate carbon fibers. This thesis consists of seven chapters.
The chapter 1 is an introduction, where importance of advanced materials developments toward aerospace and energy systems in future. Especially the character and detail of various carbon fibers essential to advance the research are described.
The chapter 2 presents the NITE process including outlines of preparation intermediate materials for the production of preforms, sintering method.
The chapter 3 cares mechanical property characterization at room temperature of NITE C/SiC composites reinforced various carbon fibers. Tensile and flexural strength evaluations reveal that the strength strongly depends on the carbon fibers, and elastic modulus characterization suggests micro-crack initiation on SiC matrix during the NITE process. Fracture resistance characterization reveals that the pitch-based and having microstructural oriented carbon fibers show high crack propagation resistance while the PAN based one does not though its quasi-elongation behaviors is observed.
The chapter 4 cares high temperature tensile tests of the C/SiC composites. The strength and elastic modulus tended to be higher than these at room temperature.
The chapter 5 provides microstructural characterization using SEM, TEM and EDX. TEM and EDX observation reveal that grain growth and chemical reactions are different among the fibers. The pitch-based carbon fibers having oriented microstructure have crystalized grains and seem to be stable during the NITE process though slight microstructural modifications are observed on the fiber/matrix interface. The interface of PAN-Based fiber and SiC matrix are significantly reacted and the grains are grown. These suggests to be reason of lower strength of the composite.
The chapter 6 provides the investigation of high temperature and pressure effects for carbon fibers. The fibers are treated in a hot-isostatic pressing device and applied high temperature and pressure to distinguish chemical reaction effects during the NITE process.
The chapter 7 is summary of the thesis.doctoral thesi
電場変調分光法を用いた機能性分子の励起状態ダイナミクスと電荷移動状態の研究
Get PDF室蘭工業大学Muroran Institute of Technology博士（工学）本論文では、重要な機能性分子であるチオフラビンT ThT ）、および 7,7,8,8 テトラシアノキノジメタン ( に着目し、励起状態ダイナミクス、および電荷移動（ CT ）状態を研究するために電場変調分光法を用いた。アミロイドβタンパク質のアミロイド線維（A β）は、神経変性疾患に関連する毒性のある物質と考えられている。 ThT は、 A βを検出するための蛍光マーカーとして広く利用されている分子である。 ThT が A βに結合すると、蛍光性の局所励起（ LE ）状態から非蛍光性のねじれ型分子内 CT 状態への変化をともなう内部回転（ IMR ）が抑制され、そのため蛍光強度が大きく増加す ると考えられている。しかし A βに 混合 すると IMR が抑制されるにもかかわらず、 ThT の蛍光量子収率は 1 よりもかなり小さいことが知られている。このような予想と実験事実のあいだの不一致の理由を説明するために、本研究では、 A β表面に存在する電場が ThT に作用する可能性に着目し、 ThT の励起状態に対する電場効果を解明することを目的とした。実験として電場吸収（ EA ）分光法およびシュタルク蛍光 SF ）分光法を用い、 PMMA 高分子中に分散させた ThT に電場を加えることにより、 A β表面に存在する電場を模倣した。 EA スペクトル の解析により、 ThT の励起状態には LE 状態と CT 状態に帰属できる 2 つの電子状態が存在することを明らかにした。 SF スペクトルの測定により、電場が存在すると LE 状態と CT 状態の状態間 混合 が増大し、蛍光量子収率は減少することがわかった。また単位電場強度あたりの蛍光消光効率を求め、 ThT の蛍光量子収率の実測値を用いることで、 A βの表面には最大で 9 MV cm 1 に達する強い電場が存在する可能性を明らかにした。TCNQは材料化学および有機エレクトロニクスなど様々な分野で利用される重要な分子である。しかし その重要性にもかかわらず、その励起状態は、ごく最近になるまで全く研究がすすんでいなかった。本研究では EA スペクトルを測定し、その解析から、 LE状態と分子内CT状態に帰属できる2つの電子状態が存在することを明らかにした。さらに２つの電子状態のあいだに状態間混合が生じていることを明らかにした。以上、本論文では、電場変調分光法を用いることにより、機能性分子のCT状態を測定し、励起状態ダイナミクスを理解する鍵となる状態間混合について研究した。本研究で得られた新たな知見は、これらの機能性分子を諸分野に応用するうえで有用であると考えられる。This thesis employs electric field modulation spectroscopies to investigate the excited state dynamics and charge transfer states of functional molecules, thioflavin T (ThT) and 7,7,8,8 tetracyanoquinodimethane (TCNQ).
Thioflavin T (ThT) is a widely used fluorescent marker for detecting amyloid-β (Aβ) fibrils, which are toxic protein aggregates associated with neurodegenerative diseases. When ThT binds to Aβ, it undergoes a significant increase in fluorescent intensity because of the inhibition of the intramolecular rotation (IMR) which accompanies the transition from an emissive locally excited (LE) state to a nonemissive twisted intramolecular charge transfer (CT) state, making it a "gold-standard" marker for Aβ. However, despite the inhibition of IMR, the quantum yield of ThT on Aβ fibrils is much smaller than unity. To explain this discrepancy, we considered the electric fields which might be experienced by ThT on the Aβ protein surface in this study. We studied the photophysics of ThT dispersed in a rigid polymethylmethacrylate (PMMA) matrix in the presence of an external electric field utilizing electroabsorption (EA) and Stark fluorescence (SF) spectroscopies, which mimics the Aβ fibrils surface environment. The study revealed the presence of the LE and CT states in the excited state of ThT. Furthermore, the SF analysis revealed that the coupling between these states was enhanced in the presence of an external electric field, leading to the observed fluorescence quenching in the SF spectra. By calculating the fluorescence quenching efficiency from the SF spectra, the electric field strength of the Aβ fibrils' surface was estimated to be approximately 9 MV cm-1.
TCNQ and its analogs are important electron acceptors in materials chemistry and organic electronics. TCNQ is considered as a model system for this class of molecules. A limited number of studies were reported on the fluorescence spectra more than 30 years ago, but the excited state was not comprehensively studied until recently. The EA spectrum observed in this study provided concrete experimental evidence of the existence of multiple electronic states in the excited state of TCNQ, which were assigned to the LE and intramolecular CT states. Furthermore, we were able to demonstrate the state mixing between the two states.
The findings of this thesis highlight the efficacy of electric field modulation spectroscopies in probing the CT state and understanding the state mixing among the excited states of functional molecules. The insights gained in this study are critical for enhancing the utilization of these molecules in their respective fields.doctoral thesi
Effect of Carbon and Titanium Addition on Erosive Wear Behavior of High Chromium White Cast Irons
Get PDFThe damage due to wear is rigorous both financially and environmentally. Developing a wear resistant material is the prerequisite to reduce cost due to wear related damage and ensure a green environment. High chromium white cast iron (HCCI) is highly valuated owing to its prominent wear resistance behavior. The combined effect of added Ti and C with HCCI to tackle the erosive wear is investigated in this paper. Ti and C are supplemented in variable percentages. TiC precipitation happens due to Ti addition, while M7C3 experience noticeable refinement in the matrix. The TiC crystallization results to shortage of C in the matrix and M7C3 refinement leads to lower hardness. The enhancement in the percentage of added Ti deteriorates the hardness causing to foster the wear rate. On the contrary, the increase in carbon content advances the hardness which reduces the wear rate. It is believed that the previously consumed C by Ti weekens the matrix. However, increment in C strengthen it with coarse carbide M7C3. Among the three series of test specimens with 3, 3.5, and 4wt%C contents, greater hardness is observed in 4wt%C, contributing to highest wear resistance. This study figured out that the chemical composition of minimal Ti and maximum C with HCCI can resist the erosive wear substantially.journal articl
Design of NRD Guide Stub Filter by Bayesian Optimization
Get PDF現在，ミリ波応用に関する研究が盛んに行われている．ミリ波集積回路のプラットホームとして，低損失な非放射伝送路である非放射誘電体線路 (NRD ガイド) は有望な候補の一つであり，回路の構成要素となる様々な高性能な NRD ガイド素子を効率的に設計することが求められている．そのためには，計算機シミュレーションを用いた自動最適設計法が有用であり，トポロジー最適設計法やモザイク状素子の最適化により素子の最適設計が実現されている．一方で，こうした手法は構造が複雑化しやすいという課題もある．本検討では，基本構造としてスタブ型の NRD ガイド素子を考え，目標の特性を実現する素子の寸法最適化を行う．最適化では大域的な解探索をいかに効率的に行えるかが重要であり，過去の探索点から特性が改善される可能性の高い点を効率的に推定できるベイズ最適化を採用する．journal articl
α-Sm2S3における異常磁気伝導
Get PDF室蘭工業大学Muroran Institute of Technology博士（工学）application/pdf希土類硫化物α-R2S3（R = La-Dy、PmとEuを除く）は、空間群Pnmaの直方晶結晶構造を有し、2つの独立した希土類サイトR1, R2を持っている。この一連のα-R2S3では、ほぼ全ての化合物が1つまたは2つの連続した反強磁性転移を示す。しかし、α-Sm2S3のみは10 K以下の低温で連続した弱強磁性(WFM)転移を示し、その磁化の特徴的な振る舞いは十分に解明されていない。α-Sm2S3の抵抗率は高温側転移温度の直上で巨大な増大と回復を示し、この100倍を超える異常な増大は非常に魅力的である。またac面内における磁化容易軸に関する奇妙な交錯が観察されてきた。α-Sm2S3の特徴的な磁気転移と新奇な輸送特性の機構を明らかにするために、単結晶と焼結体試料を用いて低温物性を測定した。気相化学輸送法により、b軸方向に長くて6つの側面を持つ針状単結晶が育成された。測定に用いた全試料は、たとえ11個の側面を持つものであっても、X線回折の手法により双晶ではなく単結晶であることが確認された。11側面を持つ試料の磁化は通常の 6 側面の試料と本質的に同じであった。また、磁化容易軸がa軸とc軸の両方の試料が存在することが本研究においても確認された。逐次的なWFM転移を確認し、Curie温度をTC1＝3.6 KとTC2＝1.8 Kと決定した。弱強磁性転移後の磁場中冷却(FC)過程における磁化は、磁化容易方向であってもSm3+の飽和理論値の1/18と小さく、困難方向ではさらに小さい。この特徴的なWFM 特性は、b軸方向に反強磁性的に秩序化したSm3+の磁気モーメントが傾くことによって生じる正味の強磁性的寄与によるものであると考えられる。単結晶の零磁場冷却(ZFC)磁化のTC1直上のピークは磁区の形成によって起こり、焼結試料のFC/ZFC磁化の同様のピークは正味の強磁性成分の強い異方性に起因すると結論した。磁気比熱と磁気エントロピーの解析から、各転移温度において一つのSmサイトのみの磁気モーメントが秩序化し、その基底状態はSm3+クラマース二重項であると結論された。磁気エントロピーは磁場方向に対して極めて異方的であり、その値は小さいが、磁場方向の違いによって異なる磁気熱効果が期待できる。本研究においては、TC1直上の狭い温度範囲における電気抵抗率ρの異常な増大は、磁化容易軸の異なる両単結晶ともに5桁以上に達した。両単結晶において、磁場印加によりその巨大な増大は急速に抑制されるが、無磁場下のρ(T)曲線と磁場による抑制のされ方は磁化容易軸によって異なる特性を示す。このTC1直上の現象は、Sm3+モーメントの短距離秩序の形成と正味強磁性成分の磁区形成に起因し、また複数の磁化容易軸の存在とも密接に関連していると考えられる。磁化容易軸の試料依存性は、Sm3+の基底状態の電荷分布に複数の準安定状態が存在することに起因すると考えられる。Rare earth sesquisulfides α-R2S3 (R = La-Dy, except Pm and Eu) possess an orthorhombic crystal structure with the space group Pnma, which has two inequivalent rare earth sites R1 and R2. In this series of α-R2S3, almost all compounds exhibit one or two successive antiferromagnetic transitions. However, only α-Sm2S3 shows successive weak-ferromagnetic (WFM) transitions at low temperatures below 10 K, and the characteristic behavior of the magnetization has not been fully elucidated. In addition, the resistivity of α-Sm2S3 shows an enormous enhancement and restoration just above higher transition temperature and this anomalous enhancement by a factor of more than 100 is very attractive. Additionally, a strange crossing with respect to the easy-magnetization axis in the ac-plane had been observed. To clarify the mechanism of the characteristic magnetic transitions and the novel transport properties in α-Sm2S3, low-temperature physical properties were investigated using single crystal and sintered samples.Needle-like single crystals having the longer direction along the b-axis and 6 side planes were grown by a chemical vapor transport method. All samples used for measurements, even it has 11 side planes, were confirmed by an XRD method to be single crystals but not twins. The magnetization of 11-planes sample was the same essentially as that of the normal 6-planes samples. In addition, the existence of both samples with a and c easy axes of magnetization was confirmed in this study as well. The successive WFM transitions were confirmed and the Curie temperatures are determined as TC1 = 3.6 K and TC2 = 1.8 K. The magnetization value in field cooling (FC) process after the weak ferromagnetic transitions is as small as 1/18 of the theoretical saturation value of Sm3+ even in the easy direction, and much smaller in the hard direction. The characteristic WFM properties are considered to be due to the net ferromagnetic contribution resulting from the canting of the antiferromagnetically ordered Sm3+ magnetic moment along the b-axis. It was concluded that the peak just above TC1 in the zero-field cooling (ZFC) magnetization of single crystals arises from the formation of magnetic domains, while a similar peak in the FC/ZFC magnetization of the sintered sample is due to the strong anisotropy of the net ferromagnetic component.From the analysis of the magnetic specific heat and entropy, it was concluded that the magnetic moments on only one Sm site is ordered at each transition temperature, and its ground state is a Sm3+ Kramers doublet. The magnetic entropy is extremely anisotropic with respect to the magnetic field direction, and although the values are small, different magneto-thermal effects can be expected for different magnetic field directions. The anomalous enhancement of electrical resistivity in the narrow temperature range just above TC1 in this study reached more than five orders of magnitude for both single crystals with different easy magnetization axis. In both single crystals, the huge enhancement is rapidly suppressed by the application of a magnetic field, but the ρ(T) curves under no magnetic field and the way of suppression by magnetic fields show different characteristics depending on the easy magnetization axis. This phenomenon just above TC1 is considered to be caused by the formation of short-range order of Sm3+ moments and the formation of magnetic domains of the net ferromagnetic component, and also be closely related to the existence of multiple easy-magnetization axis. The sample dependence of the easy magnetization axis is considered to be due to the existence of multiple metastable states in the ground-state charge distribution of Sm3+.doctoral thesi
近距離音場における物体の跳躍現象と流体の噴出現象に関する研究
Get PDF室蘭工業大学Muroran Institute of Technology博士（工学）application/pdf現在、超音波を用いた様々な現象を用いて物体の浮揚や位置制御が実現されている。近距離場音波浮揚は板状物体が振動面から音響放射力を受け数百µm程度、浮揚し保持力によって振動面上を保持する現象である。この保持力を用いることによって、板状物体の非接触2次元ステッピング搬送が実現されている。しかし、振動面上に窪みを有しており非平面である場合は振幅を増加させることで板状物体が非平面の振動面から跳躍することが確認された。また、平面の振動面上に貫通穴を有する物体を貫通穴が振動面に重なるように配置すると穴から空気が噴出することが確認された。このような振動面上からの跳躍現象および穴からの流体噴出現象はこれまで報告されておらず、詳細な検討により超音波の新たな分野が開拓されることが期待できる。さらに、これらの現象を利用することで新しい超音波デバイスの開発に応用できると考えられる。以上の理由から本研究では実験と解析から跳躍現象および流体噴出現象について詳細に検討し、明らかにした。また、その現象を利用した応用方法を提案した。跳躍現象は振動面からの距離に対する音響放射力の極小値が浮揚物体重量を上回ることで発生することを明らかにした。また、振動面上の中心からずれた位置に溝を設けることによって板状物体の非接触反転動作が実現できた。この非接触反転動作と近距離場音波浮揚を利用した非接触ステッピング搬送を組み合わせることによって、板状物体の非接触の搬送と反転動作可能になることが期待できる。振動面近傍に配置された穴を持つ物体の流体噴出現象による流速分布はPIV計測により計測された。PIV計測結果より振動面と穴付き物体間には空気が流入せず、穴からの噴出流は穴近傍の空気を吸引した穴軸上に排出する現象であることが明らかとなった。したがって、穴からの噴出流は流入部と流出部が近くなるが、穴に対向する位置に分離用の穴を設けることによって流入部と流出部を分離することができた。また、平面上に穴付きの円筒を配置し、上側から振動面を近づけると穴付き円筒が浮揚し、さらに浮揚円筒には10mNの保持力が作用した。10mNの保持力は近距離場音波浮揚における保持力よりも約10倍大きい保持力となり、この浮揚方法を用いた無重力空間における新しい浮揚保持への応用方法を提案した。Currently, the levitation and position control of an object has been developed by some ultrasonic phenomena. A planar object is levitated several hundred µm from a vibrating surface by near-field acoustic levitation (NFAL) phenomenon. The object was held by the holding force above the vibrating surface. This holding force was applied to the non-contact stepping transportation. However, when the vibrating surface has a recess, the planar object above the surface is jumped from the surface. In addition, the jet generated from the hole when the object has a through hole. These phenomena have not been reported before. A detailed examination of these phenomena was expected to extend new ultrasonic fields. Novel ultrasonic devices will be able to be applied by these phenomena. Therefore, this thesis described these phenomena to clear and suggestions about ultrasonic devices using these phenomena.The jumping phenomenon of the levitated object happened when the minimum force of the acoustic radiation force was larger than the object’s weight. The flip motion was realized by the asymmetric vibrating surface by a groove of a deviation position from a vibrating surface center. This thesis suggested combining non-contact stepping transportation by NFAL and flip motion.The jet phenomenon by an object with a small hole near the vibrating surface was measured by particle image velocimetry (PIV). The air did not flow in the air gap between the vibrating surface and the small hole of the object. The air around the small hole was absorbed, and then it was emitted from the hole. The inflow part and the outflow part of the jet were generated near each. The jet flow was separated by the separation hole at the opposite small hole. In addition, a cylinder with a small hole is levitated above the vibrating surface. The holding force acted on the levitated cylinder. The holding force reached 10mN. This force value is more than about 10 times larger than the holding force by NFAL. This levitation method was suggested to apply in zero gravity space in this thesis.doctoral thesi
モザイク型NRD導波路デバイスの最適設計
Get PDF室蘭工業大学Muroran Institute of Technology博士（工学）application/pdf近年の通信システムの大容量化に伴い、ミリ波およびテラヘルツ波帯域の使用が積極的に検討されている。非放射性誘電体導波路(NRDガイド)は、非放射性により低損失なため多くの注目を集めている。これまで提案されているNRDガイドデバイスは、基本的な構造によるものが主である。さらに、NRDガイドはその構造から3次元解析手法がしばしば使用され市販のソフトウェアでは計算コストが高くなる。この論文では、モザイク形状を用いたNRDガイドの最適設計についていくつかの最適設計アプローチを提案する。計算コストを削減するために、効率の高いシミュレーション手法も開発した。 はじめに、直接二値探索法(DBS)を開発した。設計効率を向上させるため、数値シミュレーション手法として独自に開発した2次元フルベクトル有限要素法(2D-FVFEM)を採用している。有用性を示すために、NRD市販の交差導波路と90°曲り導波路の設計を行い、いずれも99%を超える高い伝送効率が得られた。次に、バイナリベースの遺伝的アルゴリズム、差分進化アルゴリズム、ハーモニーサーチアルゴリズム、蛍アルゴリズム、粒子群最適化アルゴリズムを提案する。有用性を示すために、交差導波路、T分岐導波路、曲り導波路、および周波数分離素子の設計を行った。それぞれの透過率は、交差導波路が99.9%、T分岐導波路が49.9%:49.9%、曲り導波路では96.4 %、周波数分離素子では59 GHzで96.4 %、61 GHzで98.5 %が得られている。 次に、これまでに開発した2D-FVFEMを、非相反性材料を含んだNRDガイドデバイスの設計に適応できるように拡張し、サーキュレータとアイソレータの設計をすることにより妥当性を確認した。所望の特性を達成するために、ハーモニーサーチと差分進化法を適用し、単一周波数での動作と広帯域化を実現した。 次に、NRDガイドデバイスの解析のための厳密な2次元フルベクトル有限差分時間領域法(2DFDTD)を提案する。吸収境界条件として、畳み込み完全整合層(CPML)を用いた。さらに、LSM01とLSE01の各モードの透過率を推定するために厳密な定式化を確立した。NRDガイド交差導波路、T分岐導波路の解析を通してこの手法の有効性を示した。この研究では、いくつかの最適設計アプローチとシミュレーション手法を開発している。私達が提案する設計アプローチは、複雑なデバイス構造と機能を備えた多くのNRDガイドデバイスの設計にも適用できる。設計されたデバイスは小型で高性能なミリ波回路を実現するために十分な能力と可能性を持っている。The use of millimeter- and terahertz-wave bands are being actively explored to increase communication system capacity and meet modern communication requirements. In recent years, non-radiative dielectric (NRD) waveguide device has received a lot of attention due to low loss nature. Several NRD guide components have been reported so far without employing any optimization approaches. On the other hands, those devices are simulated numerically using 3D simulation methods and commercially available softwares result in high computational time and simulation resources required. In this thesis, we propose several optimal design approaches based on mosaic optimization concept for the design of NRD guide. In order to reduce the computational cost, we also developed highly efficient simulation methods.First, we develop direct binary search (DBS) algorithm. In order to improve design efficiency, we employ the originally developed two-dimensional full vectorial finite element method (2D-FVFEM) as a numerical simulation method. To show the usefulness, NRD crossing and 900-bend waveguide are considered and high transmission efficiency greater than 99% is achieved at operating frequency 60 GHz. Then, we propose binary representation-based genetic algorithm, differential evolution algorithm, harmony search algorithm, firefly algorithm, and particle swarm optimization. To show the usefulness, four NRD circuit components are designed which include low crosstalk waveguide crossing, T-branch power splitter, bending waveguide, and frequency demultiplexer. The proposed optimal devices achieve high transmission efficiencies greater than 99.9%, 49.9%:49.9%, 99.9% at 60 GHz and 96.4%, 98.5% at 59 GHz and 61 GHz. In addition, the same NRD guide components except frequency demultiplexer are also designed at wideband operation and achieve broad bandwidth around 5 GHz, 4 GHz, and 3 GHz.We extend our previously developed 2D-FV-FEM to be applicable for design of non-reciprocal NRD guide devices. The accuracy is confirmed by designing NRD circulator and isolator. To achieve the desired properties, harmony search and differential evolution algorithm are employed for single frequency and broadband operation respectively.We propose rigorous two-dimensional full-vectorial finite difference time domain method for the analysis of NRD guide devices. Convolutional perfectly matched layer (CPML) is employed as an absorbing boundary condition. Furthermore, we have established a rigorous formulation for estimating the modal power of each LSM01 and LSE01 mode. We confirmed the validity of the proposed method through the analysis of NRD crossing and T-branch guide devices. Excellent accuracy is achieved by the cross comparison of 2D-FV-FDTD results with 2D-FV-FEM.In this research work, we develop several optimal design approaches and simulation methods. Our proposed design approaches are applicable to design a lot of NRD guide devices with complex device structures and functionalities as well. The designed devices have enough ability and potential to integrate in a circuit for the realization of complex, compact and high-performance millimeter- wave circuit.doctoral thesi