Ein piezoelektrischer Wandler ist ein Gerät, das eine Energieart in eine andere umwandelt, indem es die piezoelektrischen Eigenschaften bestimmter Kristalle oder anderer Materialien nutzt. Wenn ein piezoelektrisches Material einer Belastung oder Kraft ausgesetzt wird, erzeugt es ein elektrisches Potential oder eine Spannung proportional zur Stärke der Kraft. Dies macht diesen Wandlertyp ideal als Wandler von mechanischer Energie oder Kraft in elektrisches Potenzial.
Die hohe Empfindlichkeit von piezoelektrischen Wandlern macht sie nützlich in Mikrofonen, wo sie Schalldruck in elektrische Spannung umwandeln, in Präzisionswaagen, in Beschleunigungsmessern und Bewegungsmeldern sowie als Generatoren und Detektoren für Ultraschall. Sie werden auch in der zerstörungsfreien Prüfung, bei der Erzeugung von Hochspannungen und in vielen anderen Anwendungen eingesetzt, die eine präzise Erfassung von Bewegung oder Kraft erfordern.
Der piezoelektrische Effekt funktioniert auch umgekehrt, indem eine an ein piezoelektrisches Material angelegte Spannung bewirkt, dass sich dieses Material biegt, dehnt oder anderweitig verformt. Diese Verformung ist normalerweise sehr gering und proportional zur angelegten Spannung, so dass der umgekehrte Effekt eine Methode der Präzisionsbewegung im Mikromaßstab bietet. Ein Wandler kann daher als Aktuator für die exakte Justierung von optischen Feininstrumenten, Lasern und Rasterkraftmikroskopen verwendet werden.
Diese Geräte können sowohl als Sensoren als auch als Aktoren verwendet werden, daher werden sie als Wandler bezeichnet, ein Begriff für alle Geräte, die eine Energieform in eine andere umwandeln können. Daher fallen sowohl piezoelektrische Sensoren als auch piezoelektrische Aktoren unter diese Rubrik. Der Sensor wandelt mechanische Energie in elektrisches Potenzial um und der Aktor wandelt elektrische Energie in mechanische Kraft oder Bewegung um.
Die von piezoelektrischen Wandlern erzeugte Spannung kann ziemlich hoch sein, oft im Bereich von mehreren Tausend Volt, ist aber nur kurz und tritt nur auf, wenn das Material anfänglich verformt wird. Dies macht sie nützlich in elektronischen Zigarettenanzündern und Druckknopfzündern für Gasherde und Grills. Bei diesen Anwendungen wird durch Drücken eines Knopfes ein kleiner, federbelasteter Hammer aktiviert, der auf ein piezoelektrisches Material schlägt und eine ausreichende Spannung erzeugt, um einen Lichtbogen zwischen den freiliegenden Elektroden des Zünders zu überspringen.
Ursprünglich als eine Eigenschaft bestimmter Kristallarten wie Quarz und Topas angesehen, haben Fortschritte in der Materialwissenschaft zur Entwicklung von Polymeren und Keramiken geführt, die auch piezoelektrische Eigenschaften aufweisen. Tatsächlich ist das derzeit am häufigsten verwendete piezoelektrische Material das künstliche keramische Bleizirkonattitanat, bekannt als PZT. Dieses Material hat die Fähigkeit, bei einer gegebenen Kraft die doppelte Spannung von Quarz bereitzustellen.
Diese Wandler sind einfach, zuverlässig und sehr robust und finden daher breite Anwendung in Industrie, Medizin und Luft- und Raumfahrt. Sie sind von externen elektromagnetischen Feldern unbeeinflusst und können daher in Anwendungen verwendet werden, bei denen elektronische Sensoren ausfallen würden. Sie sind über einen weiten Temperaturbereich stabil, können jedoch durch lange Verwendung als hohe Temperaturen beeinträchtigt werden.