李雪陽，劉萬鵬

1.北京理工大學(xué) 北京市房山區(qū) 102488 2.中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司 浙江省杭州市 311122

1、背景

1.1日本活動鉛筆的發(fā)展歷程

日本是活動鉛筆蓬勃發(fā)展的主要陣地。上世紀60年代后期，由于細鉛芯的研制成功，以及活動鉛筆的普及，活動鉛筆的發(fā)展迎來隨后20多年的黃金時期[1]1-2。這期間為了使活動鉛筆使用起來更加方便，同時也為了吸引消費者的眼球，各大活動鉛筆廠商紛紛推出各種功能和結(jié)構(gòu)的活動鉛筆[2]，而其中以結(jié)構(gòu)精巧和復(fù)雜著稱的前撳式活動鉛筆以及之后發(fā)明的自動補償式活動鉛筆尤為突出。

進入上世紀90年代后，日本活動鉛筆市場發(fā)生了較大變化。電子信息技術(shù)的發(fā)展以及計算機輔助設(shè)計技術(shù)的普及，再加之日本泡沫經(jīng)濟崩潰導(dǎo)致大量制造業(yè)企業(yè)破產(chǎn)，許多設(shè)計人員失業(yè)[3]，日本政府為提高財政收入而調(diào)高消費稅[4]。以上諸多因素導(dǎo)致市場對于設(shè)計人員使用的高端制圖用活動鉛筆（3000日元～5000日元級）的需求大大降低，取而代之的是面向?qū)W生和普通職業(yè)群體的中低端一般書寫用活動鉛筆[5,6,7,8,9]。那些結(jié)構(gòu)復(fù)雜、生產(chǎn)成本較高且易損壞的自動補償式與前撳式活動鉛筆不再風靡文具市場。

1.2 三菱鉛筆與KURU TOGA系列活動鉛筆

三菱鉛筆是日本最早的文具企業(yè)之一，創(chuàng)立于1887年[10]。在活動鉛筆領(lǐng)域，三菱鉛筆始終緊跟時代的步伐，形成了自己獨特的技術(shù)，也創(chuàng)造了不少經(jīng)典的產(chǎn)品。1965年，三菱鉛筆成功開發(fā)0.5mm鉛芯，并實現(xiàn)了撳動式活動鉛筆的量產(chǎn)。20世紀80年代后期，三菱鉛筆推出了搭載獨特指尖撳動出鉛機構(gòu)的Hi-uni 5050，成就了三菱鉛筆在活動鉛筆史上的高峰。

進入新世紀前后，活動鉛筆的發(fā)展放慢了腳步。2008年3月，三菱發(fā)售了搭載筆芯自動旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的KURU TOGA（クルトガ）系列，成為三菱鉛筆角逐活動鉛筆市場的核心技術(shù)之一[11]。經(jīng)歷了十幾年的發(fā)展，KURU TOGA幾經(jīng)變革，形成了齊全的產(chǎn)品線。直至今年（2022年）2月，三菱鉛筆重磅推出了這個系列的旗艦產(chǎn)品—KURU TOGA DIVE（見圖1）。

圖1 KURU TOGA DIVE活動鉛筆的外觀Figure 1 Appearance of KURU TOGA DIVE

該產(chǎn)品型號為M5-5000，其外觀已于去年（2021年）申請專利[12]。三菱官網(wǎng)的產(chǎn)品主頁中提到了KURU TOGA DIVE具有如下功能：①鉛芯自動旋轉(zhuǎn)功能（KURU TOGA）；②護芯管不接觸紙面的自動出鉛芯功能；③自動出鉛芯長度調(diào)節(jié)功能；④筆套帶動出鉛芯功能[13]。

此前，三菱鉛筆于2008年3月推出了第一款KURU TOGA活動鉛筆，型號為M5-450。隨后相繼推出KURU TOGA高級版M5-1017（金屬滾花握手）和M5-1012（金屬竹節(jié)握手）。而后，KURU TOGA升級推出了二倍速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)品，型號M5-452。此后，又相繼推出了M5-656（橡膠筆握版）、M5-559（Advance標準版）和M5-1030（Advance高級版）（見圖2）；此外，還為M5-1009GG和M5-858GG兩款α-gel系列搭載了KURU TOGA機構(gòu)。至此，從450日元到1000日元，KURU TOGA系列涵蓋了中低端各個價位[14]。而這次三菱鉛筆推出KURU TOGA DIVE（M5-5000），直接將KURU TOGA系列帶入高端市場，是KURU TOGA系列的一次飛躍，也是KURU TOGA對高端市場的一次嘗試。

圖2 KURU TOGA系列活動鉛筆Figure 2 KURU TOGA mechanical pencil family

2、外觀設(shè)計

2.1 形貌

DIVE的桿套采用了深邃的海藍色，采用了黑色的筆套頂帽、按壓鍵、筆夾和握手，色彩的搭配深沉又不失時尚，兼顧了不同的人群。為了適應(yīng)高端市場，DIVE的外形采用了鋼筆型設(shè)計，筆套拔除后，可套于筆桿尾端，形式上與大多數(shù)鋼筆型活動鉛筆并無二致，但尺寸上卻超乎我們對活動鉛筆的感受。筆桿最大直徑達到13.7mm，而筆桿尾端最小直徑處也達到10.1mm，整筆長度更是達到146.9mm（見圖3），各個維度的尺寸都遠遠超過了市面上大部分的活動鉛筆。

筆桿的造型非常獨特，由兩段不同直徑的圓柱組成，再由斜面連接，每段圓柱的直徑都由握手與筆桿連接端向筆尾端逐漸減小。筆桿的中部，有一個膠囊型的鏤空視窗，可以看到鉛芯自動旋轉(zhuǎn)機構(gòu)。連接端的圓柱做了三個平面切割，使得前端筆桿表面呈現(xiàn)交替的三個圓柱曲面和三個平面（如圖3內(nèi)C、D），與筆套線條相契合。這種處理方式帶來了兩個好處：一是不戴筆套時，任意一個平面都可以避免筆在桌面上隨意滾動；二是打破了原本柔和的曲面，帶入了更加中性的元素，這或許也是出于擴大用戶群體的考量。

圖3 KURU TOGA DIVE的尺寸與細節(jié)設(shè)計Figure 3 The size and detail design of KURU TOGA DIVE

筆夾由單片等厚度（0.65mm）、等寬度（4.55mm）的不銹鋼片制成，覆黑色啞光漆，夾片頂端彎折后插入筆桿內(nèi)。與筆桿相比，筆夾略顯單薄。筆端的按壓鍵采用塑料材質(zhì)，頂部依據(jù)日本工業(yè)標準[15]設(shè)置了兩個弧線形的防窒息孔。同時，筆套也設(shè)置了與按壓鍵類似的黑色塑料頂帽作為裝飾。握手整體采用塑料材質(zhì)，握手部位包裹TPE材質(zhì)，并設(shè)計了輕微突出的長方形防滑紋，三環(huán)八列，均勻排布。

2.2 材質(zhì)

DIVE在材質(zhì)上大量地采用了樹脂，因此相對于它偏大的尺寸而言，總體重量僅為19.0 g。由于細膩的表面處理，DIVE仍給人一種高級感。筆桿表面涂覆加入了高彈性樹脂材料的自修復(fù)漆，對于輕微的劃痕可以實現(xiàn)自我修復(fù)的效果，這也成為它的賣點之一。這種漆面的質(zhì)感對于皮膚有著良好的親和力。同時，在不同的燈光下，漆面可以折射出不同深淺的視覺感受。

3 功能結(jié)構(gòu)

KURU TOGA DIVE活動鉛筆的結(jié)構(gòu)大致可以分為三個模塊，即自動旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、自動補償式夾芯機構(gòu)和減速蓄力機構(gòu)。

圖4為該產(chǎn)品的官方宣傳結(jié)構(gòu)圖[13]，圖5為實物拆解圖（其中零件4、5固定在零件2內(nèi)部，無法拆卸，標注在圖13）。為方便討論，將涉及的零件進行編號，并根據(jù)相關(guān)標準及歷史習慣進行命名[16][1]7-15（見表2）。其中，除護芯管、自動補償式夾芯機構(gòu)、彈簧等少數(shù)關(guān)鍵零件由金屬制成外，大部分零件采用塑料注塑制成。

圖4 官方出鉛結(jié)構(gòu)圖Figure 4 Official schematic diagram of lead feeding structure

圖5 KURU TOGA DIVE拆解圖Figure 5 Dismantling of KURU TOGA DIVE

表1 相關(guān)零件編號及名稱Table1 Defined serial number and name of relative parts

3.1 鉛芯自動旋轉(zhuǎn)功能（KURU TOGA）

鉛芯自動旋轉(zhuǎn)功能是三菱公司的獨家技術(shù)。其作用是在書寫時鉛芯可以自動旋轉(zhuǎn)，使鉛芯頂端始終尖銳，從而保持筆跡粗細均勻，不需要使用者在書寫過程中不停的旋轉(zhuǎn)活動鉛筆，這個功能的實現(xiàn)主要依靠零（組）件15來完成。如圖6、圖7所示，其主要結(jié)構(gòu)由2片單面棘齒凸輪（零件15a與15b）、1片雙面棘齒凸輪（零件15c）和1根彈簧構(gòu)成，兩片單面棘齒凸輪之間錯開一定角度。其中，雙面棘齒凸輪與零件15a旋轉(zhuǎn)傳動軸相對固定，而零件15a與零件15b自動補償式夾芯機構(gòu)相對固定[17]。

圖6 鉛芯自動旋轉(zhuǎn)機構(gòu)原理圖Figure 6 Mechanism of lead automatic rotation structure

圖7 鉛芯自動旋轉(zhuǎn)機構(gòu)實物圖Figure 7 Photographic structure of lead automatic rotation module

自然狀態(tài)下，雙面棘齒凸輪（零件15c）在彈簧的作用下與下方的單面棘齒凸輪（零件15b）嚙合，與上面的單面棘齒凸輪（零件15a）之間留有一定空隙。當鉛芯觸及紙面，紙面向鉛芯施加一個軸向的壓力后，鉛芯會略微后退，帶動夾芯機構(gòu)產(chǎn)生一個距離很短的軸向位移（約0.3mm）。雙面棘齒凸輪會略微抬起，與上方的單面棘齒凸輪（零件15a）接觸。此時在棘齒斜面的作用下，從筆尾端方向來看，雙面棘齒凸輪（零件15c）會順時針旋轉(zhuǎn)一個角度并嚙合，同時帶動鉛芯旋轉(zhuǎn)一定角度。筆尖抬起后，在彈簧作用下，雙面棘齒凸輪向下位移，復(fù)位到與下方的單面棘齒凸輪（零件15b）接觸，再旋轉(zhuǎn)一定角度并嚙合，完成一次鉛芯旋轉(zhuǎn)。

這款產(chǎn)品的自動旋轉(zhuǎn)機構(gòu)集成于透明塑料管內(nèi)（見圖7），并安裝在筆桿內(nèi)部，與之前的產(chǎn)品M5-858GG、M5-1009GG等類似。KURU TOGA單倍速系統(tǒng)單面棘齒凸輪有20個齒，每觸發(fā)20次該功能，鉛芯旋轉(zhuǎn)一周；而雙倍速系統(tǒng)則有10個齒，每觸發(fā)10次該功能，鉛芯旋轉(zhuǎn)一周。

3.2 自動出鉛芯功能

自動出鉛芯功能的結(jié)構(gòu)可以簡單分為三個模塊，自動旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，自動補償式夾芯機構(gòu)和減速蓄力機構(gòu)。其中的自動旋轉(zhuǎn)機構(gòu)已在前面介紹完畢，接下來將對其他兩個機構(gòu)進行分析。

3.2.1 自動補償式夾芯機構(gòu)

自動補償式機構(gòu)包括組（零）件1、組件6和零件7（見圖8）。

圖8 自動補償模塊零件圖Figure 8 Composition of automatic lead feeding module

夾芯機構(gòu)（組件6）由二開花夾頭、雙滾珠、內(nèi)孔圓錐形的鎖緊圈以及夾芯彈簧等組成。正常狀態(tài)下，該機構(gòu)能讓鉛芯在一個較小的拉力作用下（約10 g），依靠滾珠與鎖緊圈內(nèi)錐面配合，打開二開花夾頭，釋放鉛芯向外移動，而在一定的書寫壓力（小于1 kg）作用下，鉛芯不會回縮[18]。

拉芯機構(gòu)的工作原理與傳統(tǒng)自動補償式相同，不過其內(nèi)部的阻尼結(jié)構(gòu)采用了全新的設(shè)計。如專利[19]所述，為了延長活動鉛筆的使用壽命，這款筆設(shè)計了一種特殊的阻尼結(jié)構(gòu)（見圖9），該機構(gòu)能夠抑制阻尼摩擦力隨著使用磨損而下降，從而提高尺寸精度。這個機構(gòu)將阻尼分成了兩個部分，分別是由金屬片沖壓制成的第一阻尼與橡膠制成的第二阻尼（見圖9）。其中，第二阻尼的摩擦力低于第一阻尼。這種雙阻尼結(jié)構(gòu)使得由單純橡膠形變對鉛芯的約束變成了橡膠與金屬的相對形變對鉛芯的約束，從而提高了零件精度與使用壽命。

圖9 阻尼結(jié)構(gòu)圖Figure 9 Photographic structure of damping

夾芯機構(gòu)被包裹在拉芯彈簧（零件7）內(nèi)，通過零件10和零件13與自動旋轉(zhuǎn)機構(gòu)（零件15）的雙面棘齒凸輪（零件15c，見圖6）連接，可由組件15自動旋轉(zhuǎn)機構(gòu)帶動旋轉(zhuǎn)（見圖10）。因此，夾芯機構(gòu)（組件6）無法長距離軸向移動，只能完成上述觸發(fā)自動旋轉(zhuǎn)機構(gòu)需要的極短距離軸向位移。拉芯機構(gòu)（組件1）則與拉芯彈簧相對固定。

圖10 夾芯機構(gòu)與減速傳動機構(gòu)的鏈接Figure 10 Connection between lead chuck and deceleration transmission module

3.2.2 減速蓄力機構(gòu)

減速蓄力機構(gòu)包含減速和蓄力兩部分，其中減速部分包括零件9、零件10、零件11與零件13（見圖11）。零件13作用此前內(nèi)容已經(jīng)介紹。

圖11 減速傳動機構(gòu)零件圖Figure 11 Photographic structure of deceleration transmission module

主動轉(zhuǎn)輪（零件9）通過零件11固定在握手（零件12）內(nèi)，可以與筆桿相對旋轉(zhuǎn)，但不可軸向位移。零件11通過卡扣與零件9固定，無法相對旋轉(zhuǎn)。而零件10處于零件11與零件9之間，固定在零件9內(nèi)部。零件11與零件10相接觸的一面有22個齒，兩者之間可以進行距離很短的軸向位移（與觸發(fā)自動旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的軸向位移距離相同），由此零件10可以帶動零件11旋轉(zhuǎn)。

這種減速機構(gòu)的原理為差齒減速（見圖12）。如前文所述，當書寫時鉛芯受到壓力，夾芯機構(gòu)會產(chǎn)生一個向后的微量軸向位移，使得零件10與零件11接觸，并推動零件11旋轉(zhuǎn)。因此，只有零件15c與零件15a嚙合過程中的旋轉(zhuǎn)才是對于減速機構(gòu)有效的旋轉(zhuǎn)，這一旋轉(zhuǎn)角度為單次旋轉(zhuǎn)角度的1/2，即是π/20(rad)。零件11有22個齒，齒距為π/11(rad)，而零件10只有一個齒，并且每落筆抬筆2次，零件10的齒才會推動零件11轉(zhuǎn)過1齒，即(rad)。如此，鉛芯每旋轉(zhuǎn)一周，才會帶動主動轉(zhuǎn)輪（零件9）旋轉(zhuǎn)π/11(rad)[19]。

圖12 減速傳動機構(gòu)工作原理圖Figure 12 Schematic diagram of deceleration transmission module structure

旋轉(zhuǎn)蓄力機構(gòu)包括尖套組件（零件3、零件4、零件5）與零件8（見圖13）。

圖13 旋轉(zhuǎn)蓄力機構(gòu)（零件3、4、5固定在尖套上無法拆卸，紅圈內(nèi)部為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)

從動轉(zhuǎn)輪（零件8）內(nèi)部有個臺階，與拉芯機構(gòu)（組件1）上的臺階配合固定，當零件8軸向位移時，帶動拉芯機構(gòu)（組件1）軸向位移。零件8下半部分還有個凸起8a（見圖13中紅圈）。零件8與零件9的轉(zhuǎn)齒相互嚙合，零件8在零件9的帶動下旋轉(zhuǎn)。

尖套（零件2）內(nèi)部固定著零件5（蓄力凸輪）；尖套內(nèi)部還有一零件4（出芯擋位調(diào)節(jié)滑塊）與尖套外面的零件3（調(diào)節(jié)盤）相對固定。零件4和零件5共同構(gòu)成蓄力凸輪的斜面，兩者壁厚之和以及半徑與零件8a（零件8下半部分的凸起）大致相當。

為方便討論，我們將整個機構(gòu)的初始狀態(tài)設(shè)定為零件8a的位置對應(yīng)蓄力凸輪斜面的最低點（見圖14）。

圖14 蓄力機構(gòu)工作原理圖Figure 14 Schematic diagram of accumulator module

當鉛芯接觸紙面時，鉛芯會略微后移一小段距離，帶動夾芯機構(gòu)后移并觸發(fā)零件15的自動旋轉(zhuǎn)功能，帶動鉛芯旋轉(zhuǎn)一定角度。這個過程中，零件10的齒也會與零件11相接觸，帶動零件11旋轉(zhuǎn)。零件11帶動零件9轉(zhuǎn)動，零件9又推動零件8轉(zhuǎn)動。

零件8轉(zhuǎn)動時，其凸起部位8a與蓄力凸輪的斜面配合，逐步抬升（沿軸向后移），同時帶動拉芯機構(gòu)軸向后移并壓縮拉芯彈簧，直至凸起部位8a到達蓄力凸輪的平面后軸向后移才停止。在整個過程中，拉芯機構(gòu)與夾芯機構(gòu)的相對距離縮短，而鉛芯則因為被夾芯機構(gòu)中夾頭夾住而不會軸向后移，相當于書寫過程中鉛芯會逐漸伸出護芯管外。

當零件8旋轉(zhuǎn)一周后又回到蓄力凸輪斜面最低處時，拉芯彈簧釋放壓力，推動拉芯機構(gòu)復(fù)位，此時在拉芯機構(gòu)內(nèi)部的雙重阻尼作用下，鉛芯打開夾頭同步軸向前移，實現(xiàn)了一次完整的自動出鉛芯功能[19]。

對于整體功能而言，鉛芯旋轉(zhuǎn)22周，零件8才能旋轉(zhuǎn)一周，相當于在書寫過程中落筆抬筆440次才完整實現(xiàn)一次自動出鉛芯功能，這與實際體驗基本相似。當然，也有可能由于未觸發(fā)鉛芯旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、或零件11旋轉(zhuǎn)不靈活、以及零件10與零件11齒輪配合精度問題而使得落筆抬筆的次數(shù)增多或減少。

3.3 自動出鉛芯長度調(diào)節(jié)功能

為了使每次的出芯長度更契合使用者的寫字力度與鉛芯的硬度，KURU TOGA DIVE活動鉛筆設(shè)置了五個檔位的出鉛芯長度調(diào)節(jié)（依靠零件3和4）。書寫壓力越大且鉛芯硬度越低（鉛芯磨損快）時，適合選擇max檔（出芯量最大），反之則適合選擇min檔（出芯量最?。?。

轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)盤（零件3）調(diào)節(jié)檔位時，會帶動尖套內(nèi)部的零件4轉(zhuǎn)動，零件5與零件4會組合出不同的形狀。當轉(zhuǎn)動到max檔時候，零件4與零件5斜面最高的一段圓周相重合，零件5斜面最低點暴露出來，出芯距離為最長（約1.5mm）；當轉(zhuǎn)動到min檔時，零件5斜面最低一段完全被零件4擋住，出芯距離為最短（約0.5mm）[19]（見圖15）。

圖15 自動出鉛長度調(diào)節(jié)功能演示圖Figure 15 Illustration of the function of automatic lead feeding length adjustment

3.4 筆套帶動出鉛功能

相比于卡點式和套筒式筆套，磁吸式筆套的使用壽命更長，更富有科技感。筆套內(nèi)部設(shè)置了磁鐵，通過與筆頭上的調(diào)節(jié)盤（零件3）相互吸引實現(xiàn)磁吸的效果。除了磁吸功能外，筆桿上還設(shè)置了筆套定位導(dǎo)向功能。筆桿上部的底端，設(shè)置了兩個傾斜的凸點，與筆套內(nèi)部的凹點耦合，因此，筆套只能以這兩個凸點作為“滑道”套入筆桿，實現(xiàn)了定位的功能（見圖16）。

圖16 筆套導(dǎo)向槽設(shè)計Figure 16 Guide grooves of cap

此外，磁吸筆套也可以通過內(nèi)部機構(gòu)撥動護芯管出鉛。筆套內(nèi)部設(shè)置了一個套筒，通過彈簧與筆套連接。蓋上筆套后，套筒會撥動組件1后退，鉛芯露出一截，拉芯彈簧壓縮。拔下筆套后，在拉芯彈簧（零件7）的推動下，組件1復(fù)位，帶出鉛芯。當鉛芯外露過長時扣上筆套，鉛芯會抵住套筒，壓縮筆套內(nèi)部的彈簧，使套筒后退；不過當鉛芯露出過長（超過2.5mm）時，蓋上筆套會導(dǎo)致斷芯。

4 、結(jié)語

KURU TOGA DIVE活動鉛筆解決了已往自動補償式自動鉛筆護芯管摩擦紙面的問題，極大地提升了書寫體驗，其精妙之處還在于獨特的減速機構(gòu)。若不引入該機構(gòu)，使旋轉(zhuǎn)蓄力機構(gòu)與鉛芯同步轉(zhuǎn)動，要么出芯長度過長，要么很難保證順利實現(xiàn)拉芯的動作。

從市場反饋來看，雖然這款活動鉛筆的定價高達5000日元，但依舊供不應(yīng)求，許多人冒著疫情的風險在日本線下的各大文具商店排隊購買。在線上市場，絕大多數(shù)網(wǎng)店一旦發(fā)售便迅速售罄，二手市場價格也水漲船高。

三菱鉛筆的這一嘗試，也為我國的活動鉛筆行業(yè)打開了新的思路。國內(nèi)文具廠商可以嘗試小批量生產(chǎn)具有復(fù)雜出鉛結(jié)構(gòu)、做工優(yōu)良的活動鉛筆用于提升研發(fā)能力和探索市場。

從使用者角度來看，該筆仍然存在一些問題，比如：

由于拉芯彈簧的彈力較小，而拉芯機構(gòu)的重量又較大，因此在甩動或顛簸狀態(tài)下，也會不斷出鉛芯；

筆套內(nèi)的套筒尺寸設(shè)計不合理，當鉛芯已經(jīng)伸出護芯管一段距離時，套筒應(yīng)該不再繼續(xù)觸發(fā)出芯操作；

減速機構(gòu)主動旋轉(zhuǎn)連接件（零件10）只有一個齒，容易磨損；

零件5的斜面只占一半左右，也就是說后半部分不會帶出鉛芯，若此前露出鉛芯較短，書寫壓力較大或者使用鉛芯較軟（磨耗大），仍然可能出現(xiàn)護芯管與紙面摩擦的問題。