TW492204B - High output stacked piezoelectric transformer - Google Patents

Description

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修正 ^ 月係關於利用電壓控元开 級電壓轉換為次绂带厭a r 巧钱制將初 對提高輸入矜^ 壓電變壓器。特別是本發明係針 到南輸出，並降低熱釋放溫度。 曼-以達 先前技彳标之 般β兒來壓電變壓器的基本理論如下。亦 ^ 電壓施於壓電元件一㊉二* L ^ ^亦即，如果 . ㊉ ^ . 而而產生變形，接著此變形可傳播至 另一鳊。此現象可應用至壓電哭。 '得搐至 的振i模式及形狀，壓電 $二二二人及輸出端 第la圖及第lb圖所干的；亡可分成终多種類。其中、 電變壓器。 核—點型的屋電變壓器為穩定的壓 第1 a圖為傳統環—點型的壓哭 圖為傳統環1型的_塵器之截。之：f圖。第ib 不’裱-點型的壓電變壓器可分 :罘a圖所 以及環形開孔區域"。參考第丨 \。卩位12、點部位13 包括：壓電元件丨丨· f ^—點型的壓電變壓 ,r 11 ^縻冤兀件11上的x ;… 接輸入端子I N、輸入端子接收初别电虽5可用來連 入電極15藉由之間的開孔區域14分二：；；電極16與輸 OUT，輸出端子ουτ可接收次級電壓外/連接至輸出端子 部形成-接地電極17連接至地端G =電几件11底 13可為輸入電極15，且環部位12由幹上逑;^，點部位 面也可以是環部位12可為輸入電極15輪=笔^6。另一方 且點部位1 3可為輸 五、發明說明 曰 月 出電極1 6。 雷厭Ϊ # f環〜點型壓電變壓器中，如果I枳冰 电壓可施加 禾振頻率 13，接著士 ^11)圖的輸入電極’’亦即至第U Λ 主）Λ /1 b圖所示產生收縮擴張振靈（以Λ 位 Γ Λ情況下，收縮擴張以相反方式A方向為 生，其結果暮祕m ^ 八在异度方向發 然而，在僂二電效應使輸出電極16輸出電壓。 的電容相當小、點ΛΤ:Λ器中，輸入及輸出端 使用來作馬古於㈣亚不適口用來當作高輸出變壓器。即 放的變壓器’歸盡幅度大於某範圍，釋 ㈣^ 使得變壓器之值發生偏差。 本备明意欲克服前述中傳統技術的缺點。 並 而本务明之目的為提供咼輸出層疊式壓電變壓器， =:入及輸出端的電容可增加來達到高輸出並降低熱放 的目的。 鐵茂2 了達到上述目的，根據本發明之高輸出層疊式壓電 二：：包* :第一壓電元件；在第一壓電元件上形成第- 二一，極匕與第一輸入電極電性隔絕的第一輸出電極；在 :兩壓電兀件底部形成的接地板；在接地板上形成的第二 =件’在第一壓電元件底部形成的第二輸入電極；以 /、第_輸入電極性隔絕的第二輸出電極。 姑本發明上述目的及其它優點，皆可參考附圖描述更清 疋了解此實施例。 <較佳具體實施例之詳細描述>

_圓__ 11 第6頁 _案號 891Π99Π 五、發明說明（3) 曰 修正 夕y ^ f本發明之咼輸出層疊式壓電變壓器將參考本發明 侔：：：述可獲付了解。在圖中，有相同構造及功能的元 件將以相同數字表示。 绨厭：H為根據本發明第一實施例中層疊式環-點式壓電 截面圖；參考第2圖，根據本發明第一實施例中， ^ /I Γι衣點式壓電變壓态包括：壓電元件2 1 a ;在第一壓電 ^&上形成第一輸入電極2 1 ;與第一輸入電極2 1電性隔 絶=弟=輸出電極22在第—輸入電極以相同平面上形成； 在第壓電兀件21a底部形成的接地電極23 ;在接地電極23 =形成的第二壓電元件21b;在第二壓電元件21b底部形成 第二輸入電極24;且與第二輸入電極24電性隔絕的第二輸 出電極25，可在第二輸入電極24相同平面上形成。（在 此，箭號指出極化方向，且適用於全部圖式）。 在第2圖中，第一及第二輸入電極21及24為圓形，並 在輸入電極21及24周圍形成第一及第二輸出電極22及25， 之間有環形開孔區域加以電性隔絕。另一方式為第一及第 一輸出黾極22及25為圓形區域，而第一及第二壓電元件 21a及2 lb可在中間形成，且第一及第二輸入電極21及24可 在第一及第一輸出電極2 2及2 5周圍形成，並以環形開孔區 域加以電性隔絕。 " 第3圖為第2圖之改良範例。參考第3圖之壓電變壓哭 的第一較佳實施例，可依照下列方式修改。亦即，"i 一壓電元件2 la及第二壓電元件2 lb之間之接地電極可二= 加入一絕緣層3。因而第一接地電極26可在第—题:一猎 1 4元件

第7頁 492204 i 號 89111990 曰 五、發明說明（4) 21a之下幵/成，且弟—接地電極27可力楚-一 第4圖為根據本發明之層聶—一^堅 '兀件2 1 b。 效電路圖（亦即第2圖及第3‘）考=:壓電變壓器的等 之層疊式環-點式壓電變壓器勺 '考~弟4圖，根據本發明 容(^、電感L1、電容C1、電。^ ^效電路的-輸入電 C。。電阻K、電感L1以及電容J ，器T以及輸出電容 壓電元件的物理特性及姓 j對應於振盪模式的值、 的值可由電極的面積及；度決？, J容G以及輸出電容C。 明輸入/輸出電容c :電J值=此情況下’根據本發 度。’其”為堆疊層、“電極 知且ΐ為塵電元件厚 Λ 根據本發明之Jg ® to 電容可藉由堆疊=;整點 應用於Ϊ:對應設計變得更容易。第4。： 輸入電屢及 第1 本曰發明其它實施例。 罘4圖的等效電路圖可 第2圖弟』^中傳統層疊式環〜點式壓電傲茂口口 較。表 圖—中層疊式環'點式壓電綠义的70件值可與 ♦ 1 17顯示其值的綜合比較。殳堊裔的元件值比 广 η ~—--- 傳統 1 0·42 1 〇·591 I 1·87 I 85 ——- 492204 案號 89111990 五、發明說明（5) 月 修正 + Κ — ___~ + ~__I |3·74 141.2 1111 |Γ, I ^ —j----——— I本發明丨0 · 4 2丨1. 1 8

-------—丄一—丄____L J 如表1所示，本發明之輪入雷办一 —」 容值與傳統單層層疊式環'點式壓；=及々出電容C。的電 發明之電容值大約為傳統單層層聂文—聖态相比增加。本 的兩倍。因此，本發明之壓^ 壓器 變壓器。與傳統比較時，卷用於古二可適用於回輸出功率 速度並不會增加，目而熱釋溫产2:出功率變壓器，振盪 整環面積改變輸出端的電容使：可增加，藉由調 Λ目|1錢ίΓ士/ 變麗器中’如果振璗速度增 加，則熱釋放也增加。在此愔汉下 < 又曰 器輸出功率為28瓦，傳統環'點式壓若:壓=壓電變壓 為0.33米/秒，而本發明環—點_^壓带^壓^的振盥速度 0. 24米/秒。因此，本發明之振^速电/壓1的严靈速度為 統環-點式壓電變壓器相比減少m，又為之振盟速度與傳 度，使得本發明可詩高輸W壓^大大地降低熱釋溫 第5圖為根據本發明第二實施例屉晶 壓器的截面圖。參考第5圖，根據本‘式麼 '變 式環'點式壓電變壓器包括：第一 ：二貝訑例層豐 電元件31&上形成一輸入電極盘^件31广在第一壓 的第一輸出f純在該輸人電極4;^ =極41電性隔絕 -r.t , „3! a # Alta" // -輸出電極42;第二壓電元細可堆疊在第 492204 修正

號 89111 ⑽ο 五、發明說明（6) 31a(其中也形成第一接地電極43); 二 恭 第二壓電元件3lb底部形成並覆蓋在第可二 一接地電極45可與第二輸出電極44電性，、，:弟 出電極44同一平面上形成， 二、、、巴5亚在第二輸 ^ 取且面對輸入電極41。 弟一接地電極4 3可沿著第一愿雷；生 元件w之間的圓環區域形成' “70件31a及第二壓電 每個輸入電極41及第二接地電極45可在每個 二壓電元件31b之間的圓環區域形成。第 弟一輸出電極42及44可在第— 相同平面t报# 、， 輸入甩極及第二接地電極45 相巧面上形成，i以開路區域46諸作電性隔絕。 據本發明第三實施例層疊式環'點式壓電變 面圖。第7圖為第6圖層疊式環'點 的展開透視圖。 1 口口 參考第6圖及第7圖，根據本發明第三實 電=器包括:第一壓電元件41a; 5〇ii第!^兀riai以及開路區域57形成；—輸出電極 2 2電性隔絕並在第一輸入電極52相同 成並面^ ί;弟^一接地電極53可在第一壓電元件4ia底部形 成亚面對弟一輸入電極52;第二壓電元件4lb可堆疊在 昼Ht41a( ϊ中第一接地電極53可在其上形成）；第二輸 入私極4可在第二壓電元件41b底部形成並面對第一接地 ，極53;第三壓電元件41c可堆疊在第二壓電元件(其中 =二輸入電極54可在其中形成）；且第二接地電極”可在 弟二壓電元件41c整個底部形成。

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，出電極50可在第一壓電元件41a的上表面中心形 以ρθ ΐ 一輸入電極52可在輸出電極50相同平面上形成，並 以開路區域57與後者電性隔絕。 .^ —接地電極53可在中央圓形區域及第一壓電元件及 弟二壓電元件4 lb之間形成。 帝第一輸入電極54，就如同第一輸入電極52及第一接地 飞極53可在=央圓形區域及第二及第三壓電元件4ib及4ic 之間形成。第二接地電極55可在第三壓電元件41(：整個底 部形成。 第8圖為第6圖層疊式環—點式壓電變壓器之改良範 例。參考第8圖，可在本發明第三實施例中加入下列元 件。亦即，包括有：一輸入電極連接部6丨可利用圖案來連 接第一輸入電極62及第二輸入電極63;以及接地電極連接 部64可利用圖案來連接第一及第二接地電極及“。 在第5、6及第8圖層疊式環-點式壓電變壓器中，如果 阻抗匹配可實現，則輸出可假定為2 8W，壓電變壓器的輸 出電容大約必須為21〇4PF。因此，如果輸出端的厚° : 5mm，則點的半徑為15.5mm(c= εΑ/ΐ= e 予又為3· 〇·9 747 5Ε-〇·8·* 7r*rV 0.0 0 3 5，r=sqrt(tc/ ^ 冗））。此 層疊式環-點式壓電變壓器可對應於輸入端阻抗及輸出 阻抗降低的形式。 第9a圖為根據本發明第四實施例層疊式環—點式舞兩 變壓器的展開透視圖。第9b圖為第9a圖層疊式環^二 電變壓器的耦合透視圖。第9c圖為第9b圖的截面圖/ ^ 參考第9a圖、第9b圖及第9c圖，根據本發明:層疊式 492204

89111990_ 發明說明（8) _____ ，一點式壓電變壓器.的第四實施例包一 壓電元件51上形成的一輸入電極=·楚電兀件51，·在 緣的一輸出電極72;以及在壓電元株入電極71電性絕 73。壓電轉換器還包括：在壓電糠底部的一接地電極 在增加轉換器的裸露面積增加、為中央的穿孔Η，可用 第10圖描述第9圖的改良刑。'氐熱釋溫度。 施例的改良型中，層疊式二二二参考第10圖，在第四實 或更多層壓電元件。在此情況式壓電變壓器還包括二層 及接地電極可經由連接輪入端I，輪入電極、輸出電極以 及接地端連接部連接一起。 接1:1卩8 1、輪出端連接部8 2 在第9圖及第1〇圖的層疊 、 入阻抗可配合點尺寸’且n環-點式壓電變壓器中，輸 輸出阻抗降低。 电極可層疊數目，使得只有 本發明層疊式環-點式壓泰+ 振頻率與傳統環-點式壓電變二t，器的共振頰率和反共 表2所示。 '"為目比較’且比較結果如 表2

分析 傳統 本發明 實驗 傳統

案號 89111990 五、發明說明（9) 在上述表2中，fr代#丘 且k代表振盪能量/電壓能"量、/頻率，L代表反共振頻率， 共振頻率fr及反共振頻^^*里。如上述表2所示，本發明之 耥微增加。 a /、專統轉換器相比較低，而k則 第11圖描述第9圖之改声 一改良型還包括下列改^ ，又。在此，第四實施例的第 取代矩形。 & ’亦即，層壓電轉換器可以圓形

弟1 2圖描述本發明層A 實施例。如第12a、l2b、^辰—點式壓電變壓器的第五 壓電元件61可分成兩個電C圖所示，位於上端甜甜圈狀 極91及一輸出電極92。在 2絕緣部位來形成—輸入電 件61之下，因而可$ # 兒極93可在甜甜圈狀壓電元 ^ 了形成層壓電轉換器。 弟1 2 a圖為環型壓雷鍾私ι σ 層壓電轉換器的一截面圖· ' '、一透視圖，第12b圖為單 露的面積，因^ Y ^ ^ f，在此環型轉換器中，可增加裸 ^ ^ 固而可降低熱釋溫度。 第12c圖為多層壓電轉換哭 環-點式摩電變壓器、包括._y。的截面圖。本發明層疊式 於第-壓電元件61a上表面m圈狀壓電元件位 一壓電元件6U上表面另—輸；：，，94;位於第 ί" ^；Λ"94 # ^ 第-壓電元V: it Ξ ί接：ϊ極97;橫貫接地電極97位於在 件61b下形π M e 電元件6 lb;以及在第二壓電元 輪入及輸出電極98及99。輪人及輸出電極94及95的第二

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第二輸入電極9’4及第二輸入電極9 8可連結至輸入端子 IN，且第一輸出電極95及第二輪出電極㈣可連結至輸出端 子OUT，而接地電極93可連接至接地端子G。 根據本發明上述之發明，可經由層疊而增加輸入電容 使得輸入功，增加。另外，負載的阻抗匹配變得更容易， 因而降低振盪逮度，並實現高輸出功率。另外也降低熱釋 溫度。 傳統層疊式壓電轉換器只用於鎮流器，而由於輸入及 輸出電容可°周整，使得負載及電源之間的調整變得容易， 因而層憂式環-點式壓電變壓器可用於轉接器及充電器。 由前所，二本發明可基於特定實施例及附圖所描述。 任何熟習此^者，皆可爹考此描述而更清楚了解此描述 實施例之不二你改良及結合及其它發明之實施例。因此， 上述實施例為作描述，而皆應該在本發明之申請專利範圍 内。 492204 a 圖式簡單說明 一 弟】a圖為傳絲供 、 第:lb圖為傳統I::量：變壓器的平面圖; 第2圖為根據本發明‘二，變屢器的截面圖·’ 變·；的截面圖； $施例中層疊式環:點式屡· =圖為第2圖之改良範例. $ 弟4圖為根據本發 ， 電路圖； 运豐式環-點式壓電 = 纶咆變壓器的等敦 第5圖為根據本發明箆_ κ 壓器的截而岡. 一只施例層叠式戸 」甄面圖， ' 點式壓電變 第6圖為根據本發明第二告 壓器的恭 一只施例層疊式π 〇的戠面圖； 武裱〜點式壓電變 第7圖為第6圖層疊式環— 圖； 、、占式昼電變壓哭ΛΑ Ρ 又I為的展開透視 圖為第6圖之改良範例； 第9a圖為根據本發明第者 變壓器的展開透視圖； 灵也列層疊式環'點式壓電 第9b圖為第9a圖層疊式環— 態圖； 式堡電變壓器的輕合狀 第9c圖為第9a圖的截面圖； 第1 0圖描述第9圖之改良範例； 第11圖描述第Θ圖之另—改良範例· 第12圖描述根據本發明第五實施晶、 電變壓器；其中第1 2a圖為環型壓電變承二®式環-點式壓 圖為單層壓電變壓器之截面圖；且筮="σ的透視圖；第12b 弟l2c圖為多層壓電變

第15頁 492204 修正 案號 89111990 圖式簡單說明 壓器的截面圖； 圖式中元件名稱與符號 41a 、41b > 41c 、51 11 、 21a 、 21b 、 31a 、 31b 61、61a、61b :壓電元件 21、 41、52、62、71、94 :第一輸入電極 24、 54、63、98 :第二輸入電極 22、 42、95 :第一輸出電極 25、 44、99 :第二輸出電極 1 4、4 6、4 7、5 7、9 6 :環形開孔區域 27 、 43 、 45 、 53 、 55 、 65 、 66 、 73 3 :絕緣層 17 > 23 > 26 9 3、9 7 :接地電極 L1 :電感 :電阻

Co :輸出電容 I N E :輸入電極 12 :環部位 IN :輸入端子 6 1 :輸入電極連接部 81 :輸入端連接部 15、19 :輸入電極 C1 :電容 T :轉換器 Η :穿孔 G :接地端 13 :點部位 OUT :輸出端子 6 4 :接地電極連接部 8 2 :輸出端連接部 16、50、72、92 :輸出電極

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Claims (1)

1. 492204 一案號 六、申請專利範圍 1 · 一種高 一形成在該壓 性隔絕的輸出 極，其特徵在 一第一壓 89111990 η 曰 在 與 係在第 在 在 成的一 在 形成的 與 係在第 2. 器，其 及第二 在 二輸出 隔絕。 3.器，其 及第二 第一壓 第一輸 一輸入 % 一壓 橫貫所 第二壓 對著所 一第二 第二輸 二輸入 如申請 中第一 壓電元 所述第 電極2 2 如申請 中第一 輪出層疊式壓電變壓器，且有广 電元件上之輸入電極：一與元件、 電極以及形成在該壓電元件底：：：：” 於，此變壓器包括： -p之接地電 電元件2 1 a ; 電元件2U上形成的一第一輸 入電極21電性隔絕的一第一極21， 雷；1¾ 9 1相η τ ;出黾極2 2，其 甩極21相冋平面上形成； 電元件21a底部形成的二接地電 述接地電極23之第-壓電元件2la下3,方所形 電元件21b; a卜万所办 ΐ第二輸0入電極21之第二壓電元件2ib底部 輸入電極24;以及， 入私極24電性隔絕的一第二輸出電極25，其 電極相同平面上形成。 專圍第1項之高輸出層疊式壓電變壓 及第二輸入電極21及2 4為圓形，並置於第一 件21a及21b中央；且 一與第二輪入電極21及24周圍形成第一及第 與25 ’且兩者之間有環形開孔區域加以電性 專2範圍第1項之高輸出層疊式壓電變壓 及第二輸出電極2 2及2 5為圓形，並置於第一 ^4- Ο 1 Λ η 1 1 壓電元件21a及21b中央；且

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   成弟一及第二輸 域加以電性隔 在第一及第二輪出電極S2及2S周圍形 入電極2 1及2 4，且兩者之間有環形開孔區 絕。 4· 一種高輸出層疊式壓電變壓器，具有—壓電元 :形成在制電元件上之輸入鋒、一與該冑入電極呈電 性隔的輸出電極以及形成在該壓電元件底部之接地電 極，其特徵在於，此變壓器包括： 一第一壓電元件21a，· 在，壓電元件21a上形成的一第一輸入電極21;

   ^與第一輸入電極21電性隔絕的一第一輸出電極22，其 係在第一輸入電極21相同平面上形成； ’、 在第一壓電兀件2 la底部形成的一接地電極26，· 一形成在所述第一接地電極2 6底部的絕緣層3 ; 一形成在所述絕緣層3之底部並藉著該絕緣層3盥第一 接地電極26絕緣之第二接地電極； ’、 一形成在所述第一壓電元件21a底部而跨過所述第二 接地電極2 7之第二壓電元件； :對=所述第-輸入電極21之第二壓電元件2ib底部 形成的一弟二輸入電極24 ;以及，

   ^與第二輸入電極24電性隔絕的一第二輸出電極25，豆 係在第二輸入電極24相同平面上形成。 ’、 5· —種高輸出層疊式壓電變壓器，具有一壓 件、 一形成在該壓電元件上之輸入電極、一與該輸入電極呈電 性隔絕的輸出電極以及形成在該壓電元件底部之接地電

   第18頁 州204 i號 89111QQ0 曰 修正 六、申請專利範圍 ’其特徵在於，此變壓器包括： 第一壓電元件3 1 a ; 在第一壓電元件31a上形成的第一輪入電極41· 與輸入電極41電性隔絕的第一輸出電極，其並在此 輪入電極41相同平面上形成； 在第一壓電元件3 la底部形成的接地電極43 · 在橫貫第一接地電極43之第一壓電元件3 1&之下形成 壓電元件31b; 在第二壓電元件31b底部形成的第二輪出電極44，·以及 與第二輸出電極44電性隔絕的第二接地電極45。 6·如申請專利範圍第5項之高輸出層疊式壓電變壓 带一其中第一接地電極43可在第一壓電元件31a及第二壓 电兀件3 1 b之間的中央圓形區域。 ·士申明專利範圍弟5項之南輸出層疊式壓電變壓 丄其中第一輸入電極41及第二接地電極45以圓形被形 一壓電元件31&及第二壓電元件31b之間的中央區域； #每個第一及第二輸出電極42及44可與第一輪入電極41 及第二接地電極45以圓形開路區域46及47電性絕緣。 / 8 ·、一種高輸出層疊式壓電變壓器，具有—壓電元件、 形成在該壓電元件上之輸入電極、一與該輸入電極呈 性隔絕的輸出電極以及形成在該壓電元件底部之接地電 極，其特徵在於，此變壓器包括·· 第 器

   492204 修正

   ?號 891119 卯 六、申請專利範圍 第一麽電元件41a; 在第〆壓電元件41a上形成的一 與第〆輸入電極52電性隔絕的一第一^入電^極52，· 在第/壓電元件41a底部形成的一第_；^^\極50 ; 底部形成的-第二輸入電極54; 在罘〆輪入兒極54下形成的一第二愿恭 在第三，件41。底面形成：;/二 申/::利範圍第δ項之高輸出層疊式堡電變壓 為，，、中#輸出電極50以圓形被形成 4 1 a中央區域；及且 〜兒兀件 所述第一輸入電極52可與第—輸 區域57電性絕緣。 乂 1U形開路 10.如申請專利範圍第8項之高輸出層疊 中第；#地電極53可在第—及第二壓電元件41a及 4 1 b之間包圍其中央之圓形區域形成。 11 ·如申+清專利範圍第8項之高輸出層疊式壓電變壓 器，其中所述第二輪入電極54可在第二及 === 41b及41c之間包圍其中央之圓形區域形 —土电兀件 哭，3.二Γ/利：圍/8項之高輪… 4的輸入電極連接部位INC。 一輸电極52及5 °口逐"括幻用一圓形來連接第一及第二接地電極53及5

   ^^^89111990 六、申請專利範圍 5的接地電極連接部位gc。 1 。 種高輸出層疊式麼電變壓器 一壓電元件5 i ; ^ ^ ί电兀件5 1上形成的一輸入電極71 ; 電極71電性隔絕的一輸出電極72; 1包凡件51底部形成的一接地電極73. 其特徵在於： ’ 在此壓電轉換器中央形成的一穿孔H。 ij.如申請專利範圍第14項之高輸出層疊式壓 遂括一層或多層壓電元件。 1甘6士如厂申請專利範圍第14項之高輸出層疊式壓t 其中壓電變壓器為碟形。 且飞土电 17.種向輸出層疊式壓電變壓器，具有一焊％ 一形成在該壓電元件上之輸入電極、一與該^ 月^入·電 修正

   具有 以及 器 器 件 電變璺 變壓 S性：；的輸出電極以及形成在該壓電元;牛D 包極 /、特徵在於，此變壓器包括· 一甜甜圈形壓電元件61; 在此壓電元件61上表面形成的一輸入 與此壓電元件61上表面另―面形成的H 其並與輸入電極94電性隔絕；以及 ，电極95; 板 之接地 在壓電元件61底下所形成的一接地電極。 18.如申請專利範圍第17項之高輸出層疊式壓 时，其中壓電變壓器含二層或多層壓電元件。 又壓 1 9.如中請專利範圍第i 8項之高輸出層疊式壓電變壓

   第21頁 492204 _案號 89111990_£ 六、申請專利範圍 月 曰 修正 器，其中二層或多層輸入電極、輸出電極及接地電極可分 別藉由輸入端連接部、輸出端連接部及接地端連接部連接 在一起。

   第22頁