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  康拉德·格斯纳在1565年提出一种类似自动铅笔的笔,但笔芯需要人工调整使其锐利。最早自动铅笔的前身在1791年沉没的HMS Pandora船只残骸中找到。  1822年,第一个可替换并且带有笔芯推进结构的铅笔的专利在英国被Sampson Mordan和John Isaac Hawkins获得。随后Mordan从Hawkins手里买断了专利权,在1823年到1837年间与Gabriel Riddle开展了商业合作,因此最早一批的Mordan铅笔都带有“SMGR”的标签。 1837年后MorDan结束了与Riddle的合作,继续生产名为“S.MORDAN & CO”的铅笔,同时还广泛生产银器,直到二战时期他的工厂被炸掉。  1822年到1874年间注册了超过160个专利,在多方面推动了自动铅笔的发展。第一只弹簧式自动铅笔在1877年申请专利,随后的1895年出现了拧填式铅笔。1938年,0.9mm笔芯进入市场, 随后又出现了0.3、0.5,0.7mm的笔芯,甚至1.4mm,现在,0.4mm和0.2mm同样也成为一个规格。  1915年,由刚刚出师的冶金工人早川德次对自动铅笔做出了一些改进,使得它在日本获得成功。德次的铅笔被人称为“总是锋利的铅笔”。但那之后,德次并未马上获得成功,直到保证铅笔寿命的金属杆被引入,这对现在的使用者来说已经是不陌生的了。一家东京和大阪的公司向德次发出了一个大订单,使得Ever-Ready Sharp从此开始大卖。 之后德次的公司就有了“夏普”这个名字。  几乎就在同时,美国的Charles R. Keeran开发了一种类似的铅笔,而这正是今天大多数铅笔的鼻祖。Keeran设计的铅笔依赖于棘齿,而德次的则以螺丝为基础。这两项不同的发展史经常被人们错误地合并成一个。Keeran在1915年为其铅笔申请专利,之后很快就安排生产。在进行一些改良后,他的设计变成Wahl Adding Machine公司的Eversharp铅笔,在1920年代初期,Wahl公司贩卖超过1200万只铅笔。

  自动铅笔可以分为两种基本类型:一种为夹住铅芯并且随着使用向前推进,另一种只是夹住铅芯使其不掉下来。  基于螺丝的铅笔依靠拧动螺丝推动铅芯前进,而螺丝则沿着笔杆内的导轨移动。这种铅笔在二十世纪前期得到了广泛应用。很多这样的铅笔具有一种锁定的结构,允许铅芯退回到笔杆中去。  离合型铅笔(直译为铅芯抓握者)一般使用较粗的铅芯(2-4 mm)并且一次只能用一根铅芯。按动铅笔后端的橡皮帽,使笔头处的小颚张开,铅芯就可以自由地从笔杆内滑出(或缩回),但这滑动只能由外部协助控制,当然,把笔尖离开桌面几毫米或者挡在手心就很容易做到。一些铅笔能够延长铅芯,如Alvin Tech-Matic铅笔,但通常被认为与带有推进装置的铅笔不是一个种类。  基于棘轮的铅笔是抓握铅笔(英语:clutch pencil)的一种变体,铅芯在头部被三个小颚夹住,小颚外又套有一个金属环。铅笔尾部的按钮控制了小颚的张合,按钮按下时,小颚向前张开,铅芯前进,按钮放开时小颚收紧,“铅芯护圈”(在笔尖里的一个小橡皮圈)能保持铅芯的位置,使其不至于向外滑落或者随着小颚的夹紧滑向笔杆内。另一种设计是用紧密配合的金属环来导引及支持笔芯,不需要容纳橡皮擦的位置。  在一种基于棘轮的铅笔中,前后摇动会使其铅笔内部的重物操纵盖子上的装置。这种铅笔可能会在顶部或侧面有一个按钮,来让使用者在需要的时候使铅芯前进。另一种铅笔能自动向前推进铅芯,这种设计使用棘齿推进铅芯,但只是用很小的摩擦力阻止其滑落或者退回到铅笔里面。笔尖是一种弹簧扣,铅芯磨损时变短,减小了弹簧的压力,从而使铅芯自动推出。  一种先进的棘轮型铅笔拥有一个机械装置,能够在铅笔芯接触纸面时将其旋转特定角度,利用平均耗损,使笔芯与纸面的接触面积只有普通自动铅笔的一半,这样写出来的字便具有统一的黑度。这种铅笔名叫“笔芯可转铅笔”(英语:Kuru Toga),是由三菱铅笔有限公司研发出来的。三菱铅笔还在2004年推出了a-gel(alpha-gel)自动铅笔。

  尽管名称叫做“铅”,铅笔铅不包含有毒的化学元素铅,而通常用的是石墨和粘土,或塑料聚合物。相比于传统铅笔,自动铅笔类型范围较窄,同时也存在诸多变种。多数自动铅笔可重新装填,也有一些便宜的类型用完后可以丢掉。

  自动铅笔的结构一般只能使用一种直径的铅芯,也有一些如Pentel Function 357,其内置的多种结构允许使用多种直径的铅芯,如:0.3mm、0.5mm和0.7mm。1.00 mm的铅芯也存在,但它们是非常罕见的。(见下表)  下表列出了不同的铅芯直径,以满足多样的喜好和制作,最常用的是0.5mm和0.7mm,其线宽适用于精确的书写和绘画,0.05mm,0.1mm和0.2mm则较为罕见。  使用亚毫米铅芯的铅笔能同时容纳多跟铅芯,以减少重新装填的次数。一个例外是Pentel 350E,这可能是Pentel的第一款自动铅笔, 它只能容纳一根0.5mm的铅芯,当需要时可以从一根小管子中把新的铅芯填入笔杆。

  与传统铅笔相同,自动铅笔的铅芯根据使用者的不同需求,对石墨和粘土的配比进行控制,从而做出不同黑度和硬度的铅芯。常用的铅笔的铅芯其密度和传统HB (US #2)的笔芯相同,但粗细不同。

  自动铅笔彩色铅芯却较为少见,Crayola的“Twistable”系列包含两种彩色铅笔(可擦除的和不可擦除的),其中含有机械推进结构,却不提供替换的铅芯。一些美国以外的公司如Pentel、Pilot和uni-ball为他们的产品在小范围的直径(0.5mm、0.7mm和2mm)制造了彩色可重新装填的笔芯。Koh-i-Noor则在2.0、3.15和5.6mm上做出了彩色可充填的自动铅笔。
自动铅笔(英语:Mechanical pencil,英语:propelling pencil),又称自动笔或活动铅笔,是一种固体颜料芯可更换并且可以机械伸缩的铅笔。铅笔芯与外壳不是固定相连的,通常由石墨构成,当它的前端磨损的的时候,可以向外延长。