日本三菱铅笔新产品——KURU TOGA DIVE自动补偿式活动铅笔

李雪阳，刘万鹏

1.北京理工大学 北京市房山区 102488 2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司 浙江省杭州市 311122

1、背景

1.1日本活动铅笔的发展历程

日本是活动铅笔蓬勃发展的主要阵地。上世纪60年代后期，由于细铅芯的研制成功，以及活动铅笔的普及，活动铅笔的发展迎来随后20多年的黄金时期[1]1-2。这期间为了使活动铅笔使用起来更加方便，同时也为了吸引消费者的眼球，各大活动铅笔厂商纷纷推出各种功能和结构的活动铅笔[2]，而其中以结构精巧和复杂著称的前揿式活动铅笔以及之后发明的自动补偿式活动铅笔尤为突出。

进入上世纪90年代后，日本活动铅笔市场发生了较大变化。电子信息技术的发展以及计算机辅助设计技术的普及，再加之日本泡沫经济崩溃导致大量制造业企业破产，许多设计人员失业[3]，日本政府为提高财政收入而调高消费税[4]。以上诸多因素导致市场对于设计人员使用的高端制图用活动铅笔（3000日元～5000日元级）的需求大大降低，取而代之的是面向学生和普通职业群体的中低端一般书写用活动铅笔[5,6,7,8,9]。那些结构复杂、生产成本较高且易损坏的自动补偿式与前揿式活动铅笔不再风靡文具市场。

1.2 三菱铅笔与KURU TOGA系列活动铅笔

三菱铅笔是日本最早的文具企业之一，创立于1887年[10]。在活动铅笔领域，三菱铅笔始终紧跟时代的步伐，形成了自己独特的技术，也创造了不少经典的产品。1965年，三菱铅笔成功开发0.5mm铅芯，并实现了揿动式活动铅笔的量产。20世纪80年代后期，三菱铅笔推出了搭载独特指尖揿动出铅机构的Hi-uni 5050，成就了三菱铅笔在活动铅笔史上的高峰。

进入新世纪前后，活动铅笔的发展放慢了脚步。2008年3月，三菱发售了搭载笔芯自动旋转机构的KURU TOGA（クルトガ）系列，成为三菱铅笔角逐活动铅笔市场的核心技术之一[11]。经历了十几年的发展，KURU TOGA几经变革，形成了齐全的产品线。直至今年（2022年）2月，三菱铅笔重磅推出了这个系列的旗舰产品—KURU TOGA DIVE（见图1）。

图1 KURU TOGA DIVE活动铅笔的外观Figure 1 Appearance of KURU TOGA DIVE

该产品型号为M5-5000，其外观已于去年（2021年）申请专利[12]。三菱官网的产品主页中提到了KURU TOGA DIVE具有如下功能：①铅芯自动旋转功能（KURU TOGA）；②护芯管不接触纸面的自动出铅芯功能；③自动出铅芯长度调节功能；④笔套带动出铅芯功能[13]。

此前，三菱铅笔于2008年3月推出了第一款KURU TOGA活动铅笔，型号为M5-450。随后相继推出KURU TOGA高级版M5-1017（金属滚花握手）和M5-1012（金属竹节握手）。而后，KURU TOGA升级推出了二倍速旋转产品，型号M5-452。此后，又相继推出了M5-656（橡胶笔握版）、M5-559（Advance标准版）和M5-1030（Advance高级版）（见图2）；此外，还为M5-1009GG和M5-858GG两款α-gel系列搭载了KURU TOGA机构。至此，从450日元到1000日元，KURU TOGA系列涵盖了中低端各个价位[14]。而这次三菱铅笔推出KURU TOGA DIVE（M5-5000），直接将KURU TOGA系列带入高端市场，是KURU TOGA系列的一次飞跃，也是KURU TOGA对高端市场的一次尝试。

图2 KURU TOGA系列活动铅笔Figure 2 KURU TOGA mechanical pencil family

2、外观设计

2.1 形貌

DIVE的杆套采用了深邃的海蓝色，采用了黑色的笔套顶帽、按压键、笔夹和握手，色彩的搭配深沉又不失时尚，兼顾了不同的人群。为了适应高端市场，DIVE的外形采用了钢笔型设计，笔套拔除后，可套于笔杆尾端，形式上与大多数钢笔型活动铅笔并无二致，但尺寸上却超乎我们对活动铅笔的感受。笔杆最大直径达到13.7mm，而笔杆尾端最小直径处也达到10.1mm，整笔长度更是达到146.9mm（见图3），各个维度的尺寸都远远超过了市面上大部分的活动铅笔。

笔杆的造型非常独特，由两段不同直径的圆柱组成，再由斜面连接，每段圆柱的直径都由握手与笔杆连接端向笔尾端逐渐减小。笔杆的中部，有一个胶囊型的镂空视窗，可以看到铅芯自动旋转机构。连接端的圆柱做了三个平面切割，使得前端笔杆表面呈现交替的三个圆柱曲面和三个平面（如图3内C、D），与笔套线条相契合。这种处理方式带来了两个好处：一是不戴笔套时，任意一个平面都可以避免笔在桌面上随意滚动；二是打破了原本柔和的曲面，带入了更加中性的元素，这或许也是出于扩大用户群体的考量。

图3 KURU TOGA DIVE的尺寸与细节设计Figure 3 The size and detail design of KURU TOGA DIVE

笔夹由单片等厚度（0.65mm）、等宽度（4.55mm）的不锈钢片制成，覆黑色哑光漆，夹片顶端弯折后插入笔杆内。与笔杆相比，笔夹略显单薄。笔端的按压键采用塑料材质，顶部依据日本工业标准[15]设置了两个弧线形的防窒息孔。同时，笔套也设置了与按压键类似的黑色塑料顶帽作为装饰。握手整体采用塑料材质，握手部位包裹TPE材质，并设计了轻微突出的长方形防滑纹，三环八列，均匀排布。

2.2 材质

DIVE在材质上大量地采用了树脂，因此相对于它偏大的尺寸而言，总体重量仅为19.0 g。由于细腻的表面处理，DIVE仍给人一种高级感。笔杆表面涂覆加入了高弹性树脂材料的自修复漆，对于轻微的划痕可以实现自我修复的效果，这也成为它的卖点之一。这种漆面的质感对于皮肤有着良好的亲和力。同时，在不同的灯光下，漆面可以折射出不同深浅的视觉感受。

3 功能结构

KURU TOGA DIVE活动铅笔的结构大致可以分为三个模块，即自动旋转机构、自动补偿式夹芯机构和减速蓄力机构。

图4为该产品的官方宣传结构图[13]，图5为实物拆解图（其中零件4、5固定在零件2内部，无法拆卸，标注在图13）。为方便讨论，将涉及的零件进行编号，并根据相关标准及历史习惯进行命名[16][1]7-15（见表2）。其中，除护芯管、自动补偿式夹芯机构、弹簧等少数关键零件由金属制成外，大部分零件采用塑料注塑制成。

图4 官方出铅结构图Figure 4 Official schematic diagram of lead feeding structure

图5 KURU TOGA DIVE拆解图Figure 5 Dismantling of KURU TOGA DIVE

表1 相关零件编号及名称Table1 Defined serial number and name of relative parts

3.1 铅芯自动旋转功能（KURU TOGA）

铅芯自动旋转功能是三菱公司的独家技术。其作用是在书写时铅芯可以自动旋转，使铅芯顶端始终尖锐，从而保持笔迹粗细均匀，不需要使用者在书写过程中不停的旋转活动铅笔，这个功能的实现主要依靠零（组）件15来完成。如图6、图7所示，其主要结构由2片单面棘齿凸轮（零件15a与15b）、1片双面棘齿凸轮（零件15c）和1根弹簧构成，两片单面棘齿凸轮之间错开一定角度。其中，双面棘齿凸轮与零件15a旋转传动轴相对固定，而零件15a与零件15b自动补偿式夹芯机构相对固定[17]。

图6 铅芯自动旋转机构原理图Figure 6 Mechanism of lead automatic rotation structure

图7 铅芯自动旋转机构实物图Figure 7 Photographic structure of lead automatic rotation module

自然状态下，双面棘齿凸轮（零件15c）在弹簧的作用下与下方的单面棘齿凸轮（零件15b）啮合，与上面的单面棘齿凸轮（零件15a）之间留有一定空隙。当铅芯触及纸面，纸面向铅芯施加一个轴向的压力后，铅芯会略微后退，带动夹芯机构产生一个距离很短的轴向位移（约0.3mm）。双面棘齿凸轮会略微抬起，与上方的单面棘齿凸轮（零件15a）接触。此时在棘齿斜面的作用下，从笔尾端方向来看，双面棘齿凸轮（零件15c）会顺时针旋转一个角度并啮合，同时带动铅芯旋转一定角度。笔尖抬起后，在弹簧作用下，双面棘齿凸轮向下位移，复位到与下方的单面棘齿凸轮（零件15b）接触，再旋转一定角度并啮合，完成一次铅芯旋转。

这款产品的自动旋转机构集成于透明塑料管内（见图7），并安装在笔杆内部，与之前的产品M5-858GG、M5-1009GG等类似。KURU TOGA单倍速系统单面棘齿凸轮有20个齿，每触发20次该功能，铅芯旋转一周；而双倍速系统则有10个齿，每触发10次该功能，铅芯旋转一周。

3.2 自动出铅芯功能

自动出铅芯功能的结构可以简单分为三个模块，自动旋转机构，自动补偿式夹芯机构和减速蓄力机构。其中的自动旋转机构已在前面介绍完毕，接下来将对其他两个机构进行分析。

3.2.1 自动补偿式夹芯机构

自动补偿式机构包括组（零）件1、组件6和零件7（见图8）。

图8 自动补偿模块零件图Figure 8 Composition of automatic lead feeding module

夹芯机构（组件6）由二开花夹头、双滚珠、内孔圆锥形的锁紧圈以及夹芯弹簧等组成。正常状态下，该机构能让铅芯在一个较小的拉力作用下（约10 g），依靠滚珠与锁紧圈内锥面配合，打开二开花夹头，释放铅芯向外移动，而在一定的书写压力（小于1 kg）作用下，铅芯不会回缩[18]。

拉芯机构的工作原理与传统自动补偿式相同，不过其内部的阻尼结构采用了全新的设计。如专利[19]所述，为了延长活动铅笔的使用寿命，这款笔设计了一种特殊的阻尼结构（见图9），该机构能够抑制阻尼摩擦力随着使用磨损而下降，从而提高尺寸精度。这个机构将阻尼分成了两个部分，分别是由金属片冲压制成的第一阻尼与橡胶制成的第二阻尼（见图9）。其中，第二阻尼的摩擦力低于第一阻尼。这种双阻尼结构使得由单纯橡胶形变对铅芯的约束变成了橡胶与金属的相对形变对铅芯的约束，从而提高了零件精度与使用寿命。

图9 阻尼结构图Figure 9 Photographic structure of damping

夹芯机构被包裹在拉芯弹簧（零件7）内，通过零件10和零件13与自动旋转机构（零件15）的双面棘齿凸轮（零件15c，见图6）连接，可由组件15自动旋转机构带动旋转（见图10）。因此，夹芯机构（组件6）无法长距离轴向移动，只能完成上述触发自动旋转机构需要的极短距离轴向位移。拉芯机构（组件1）则与拉芯弹簧相对固定。

图10 夹芯机构与减速传动机构的链接Figure 10 Connection between lead chuck and deceleration transmission module

3.2.2 减速蓄力机构

减速蓄力机构包含减速和蓄力两部分，其中减速部分包括零件9、零件10、零件11与零件13（见图11）。零件13作用此前内容已经介绍。

图11 减速传动机构零件图Figure 11 Photographic structure of deceleration transmission module

主动转轮（零件9）通过零件11固定在握手（零件12）内，可以与笔杆相对旋转，但不可轴向位移。零件11通过卡扣与零件9固定，无法相对旋转。而零件10处于零件11与零件9之间，固定在零件9内部。零件11与零件10相接触的一面有22个齿，两者之间可以进行距离很短的轴向位移（与触发自动旋转机构的轴向位移距离相同），由此零件10可以带动零件11旋转。

这种减速机构的原理为差齿减速（见图12）。如前文所述，当书写时铅芯受到压力，夹芯机构会产生一个向后的微量轴向位移，使得零件10与零件11接触，并推动零件11旋转。因此，只有零件15c与零件15a啮合过程中的旋转才是对于减速机构有效的旋转，这一旋转角度为单次旋转角度的1/2，即是π/20(rad)。零件11有22个齿，齿距为π/11(rad)，而零件10只有一个齿，并且每落笔抬笔2次，零件10的齿才会推动零件11转过1齿，即(rad)。如此，铅芯每旋转一周，才会带动主动转轮（零件9）旋转π/11(rad)[19]。

图12 减速传动机构工作原理图Figure 12 Schematic diagram of deceleration transmission module structure

旋转蓄力机构包括尖套组件（零件3、零件4、零件5）与零件8（见图13）。

图13 旋转蓄力机构（零件3、4、5固定在尖套上无法拆卸，红圈内部为8a）Figure 13 Photographic structure of revolve-charge module(The part 3, 4 and 5 are fixed on the tip and cannot be disassembled, and the orange circle is part 8a)

从动转轮（零件8）内部有个台阶，与拉芯机构（组件1）上的台阶配合固定，当零件8轴向位移时，带动拉芯机构（组件1）轴向位移。零件8下半部分还有个凸起8a（见图13中红圈）。零件8与零件9的转齿相互啮合，零件8在零件9的带动下旋转。

尖套（零件2）内部固定着零件5（蓄力凸轮）；尖套内部还有一零件4（出芯挡位调节滑块）与尖套外面的零件3（调节盘）相对固定。零件4和零件5共同构成蓄力凸轮的斜面，两者壁厚之和以及半径与零件8a（零件8下半部分的凸起）大致相当。

为方便讨论，我们将整个机构的初始状态设定为零件8a的位置对应蓄力凸轮斜面的最低点（见图14）。

图14 蓄力机构工作原理图Figure 14 Schematic diagram of accumulator module

当铅芯接触纸面时，铅芯会略微后移一小段距离，带动夹芯机构后移并触发零件15的自动旋转功能，带动铅芯旋转一定角度。这个过程中，零件10的齿也会与零件11相接触，带动零件11旋转。零件11带动零件9转动，零件9又推动零件8转动。

零件8转动时，其凸起部位8a与蓄力凸轮的斜面配合，逐步抬升（沿轴向后移），同时带动拉芯机构轴向后移并压缩拉芯弹簧，直至凸起部位8a到达蓄力凸轮的平面后轴向后移才停止。在整个过程中，拉芯机构与夹芯机构的相对距离缩短，而铅芯则因为被夹芯机构中夹头夹住而不会轴向后移，相当于书写过程中铅芯会逐渐伸出护芯管外。

当零件8旋转一周后又回到蓄力凸轮斜面最低处时，拉芯弹簧释放压力，推动拉芯机构复位，此时在拉芯机构内部的双重阻尼作用下，铅芯打开夹头同步轴向前移，实现了一次完整的自动出铅芯功能[19]。

对于整体功能而言，铅芯旋转22周，零件8才能旋转一周，相当于在书写过程中落笔抬笔440次才完整实现一次自动出铅芯功能，这与实际体验基本相似。当然，也有可能由于未触发铅芯旋转机构、或零件11旋转不灵活、以及零件10与零件11齿轮配合精度问题而使得落笔抬笔的次数增多或减少。

3.3 自动出铅芯长度调节功能

为了使每次的出芯长度更契合使用者的写字力度与铅芯的硬度，KURU TOGA DIVE活动铅笔设置了五个档位的出铅芯长度调节（依靠零件3和4）。书写压力越大且铅芯硬度越低（铅芯磨损快）时，适合选择max档（出芯量最大），反之则适合选择min档（出芯量最小）。

转动调节盘（零件3）调节档位时，会带动尖套内部的零件4转动，零件5与零件4会组合出不同的形状。当转动到max档时候，零件4与零件5斜面最高的一段圆周相重合，零件5斜面最低点暴露出来，出芯距离为最长（约1.5mm）；当转动到min档时，零件5斜面最低一段完全被零件4挡住，出芯距离为最短（约0.5mm）[19]（见图15）。

图15 自动出铅长度调节功能演示图Figure 15 Illustration of the function of automatic lead feeding length adjustment

3.4 笔套带动出铅功能

相比于卡点式和套筒式笔套，磁吸式笔套的使用寿命更长，更富有科技感。笔套内部设置了磁铁，通过与笔头上的调节盘（零件3）相互吸引实现磁吸的效果。除了磁吸功能外，笔杆上还设置了笔套定位导向功能。笔杆上部的底端，设置了两个倾斜的凸点，与笔套内部的凹点耦合，因此，笔套只能以这两个凸点作为“滑道”套入笔杆，实现了定位的功能（见图16）。

图16 笔套导向槽设计Figure 16 Guide grooves of cap

此外，磁吸笔套也可以通过内部机构拨动护芯管出铅。笔套内部设置了一个套筒，通过弹簧与笔套连接。盖上笔套后，套筒会拨动组件1后退，铅芯露出一截，拉芯弹簧压缩。拔下笔套后，在拉芯弹簧（零件7）的推动下，组件1复位，带出铅芯。当铅芯外露过长时扣上笔套，铅芯会抵住套筒，压缩笔套内部的弹簧，使套筒后退；不过当铅芯露出过长（超过2.5mm）时，盖上笔套会导致断芯。

4 、结语

KURU TOGA DIVE活动铅笔解决了已往自动补偿式自动铅笔护芯管摩擦纸面的问题，极大地提升了书写体验，其精妙之处还在于独特的减速机构。若不引入该机构，使旋转蓄力机构与铅芯同步转动，要么出芯长度过长，要么很难保证顺利实现拉芯的动作。

从市场反馈来看，虽然这款活动铅笔的定价高达5000日元，但依旧供不应求，许多人冒着疫情的风险在日本线下的各大文具商店排队购买。在线上市场，绝大多数网店一旦发售便迅速售罄，二手市场价格也水涨船高。

三菱铅笔的这一尝试，也为我国的活动铅笔行业打开了新的思路。国内文具厂商可以尝试小批量生产具有复杂出铅结构、做工优良的活动铅笔用于提升研发能力和探索市场。

从使用者角度来看，该笔仍然存在一些问题，比如：

由于拉芯弹簧的弹力较小，而拉芯机构的重量又较大，因此在甩动或颠簸状态下，也会不断出铅芯；

笔套内的套筒尺寸设计不合理，当铅芯已经伸出护芯管一段距离时，套筒应该不再继续触发出芯操作；

减速机构主动旋转连接件（零件10）只有一个齿，容易磨损；

零件5的斜面只占一半左右，也就是说后半部分不会带出铅芯，若此前露出铅芯较短，书写压力较大或者使用铅芯较软（磨耗大），仍然可能出现护芯管与纸面摩擦的问题。