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  康拉德·格斯納在1565年提出一種類似自動鉛筆的筆,但筆芯需要人工調整使其銳利。最早自動鉛筆的前身在1791年沉沒的HMS Pandora船隻殘骸中找到。  1822年,第一個可替換並且帶有筆芯推進結構的鉛筆的專利在英國被Sampson Mordan和John Isaac Hawkins獲得。隨後Mordan從Hawkins手裡買斷了專利權,在1823年到1837年間與Gabriel Riddle開展了商業合作,因此最早一批的Mordan鉛筆都帶有“SMGR”的標籤。 1837年後MorDan結束了與Riddle的合作,繼續生產名為“S.MORDAN & CO”的鉛筆,同時還廣泛生產銀器,直到二戰時期他的工廠被炸掉。  1822年到1874年間註冊了超過160個專利,在多方面推動了自動鉛筆的發展。第一隻彈簧式自動鉛筆在1877年申請專利,隨後的1895年出現了擰填式鉛筆。1938年,0.9mm筆芯進入市場, 隨後又出現了0.3、0.5,0.7mm的筆芯,甚至1.4mm,現在,0.4mm和0.2mm同樣也成為一個規格。  1915年,由剛剛出師的冶金工人早川德次對自動鉛筆做出了一些改進,使得它在日本獲得成功。德次的鉛筆被人稱為“總是鋒利的鉛筆”。但那之後,德次並未馬上獲得成功,直到保證鉛筆壽命的金屬桿被引入,這對現在的使用者來說已經是不陌生的了。一家東京和大阪的公司向德次發出了一個大訂單,使得Ever-Ready Sharp從此開始大賣。 之後德次的公司就有了“夏普”這個名字。  幾乎就在同時,美國的Charles R. Keeran開發了一種類似的鉛筆,而這正是今天大多數鉛筆的鼻祖。Keeran設計的鉛筆依賴於棘齒,而德次的則以螺絲為基礎。這兩項不同的發展史經常被人們錯誤地合併成一個。Keeran在1915年為其鉛筆申請專利,之後很快就安排生產。在進行一些改良後,他的設計變成Wahl Adding Machine公司的Eversharp鉛筆,在1920年代初期,Wahl公司販賣超過1200萬隻鉛筆。

  自動鉛筆可以分為兩種基本型別:一種為夾住鉛芯並且隨著使用向前推進,另一種只是夾住鉛芯使其不掉下來。  基於螺絲的鉛筆依靠擰動螺絲推動鉛芯前進,而螺絲則沿著筆桿內的導軌移動。這種鉛筆在二十世紀前期得到了廣泛應用。很多這樣的鉛筆具有一種鎖定的結構,允許鉛芯退回到筆桿中去。  離合型鉛筆(直譯為鉛芯抓握者)一般使用較粗的鉛芯(2-4 mm)並且一次只能用一根鉛芯。按動鉛筆後端的橡皮帽,使筆頭處的小顎張開,鉛芯就可以自由地從筆桿內滑出(或縮回),但這滑動只能由外部協助控制,當然,把筆尖離開桌面幾毫米或者擋在手心就很容易做到。一些鉛筆能夠延長鉛芯,如Alvin Tech-Matic鉛筆,但通常被認為與帶有推進裝置的鉛筆不是一個種類。  基於棘輪的鉛筆是抓握鉛筆(英語:clutch pencil)的一種變體,鉛芯在頭部被三個小顎夾住,小顎外又套有一個金屬環。鉛筆尾部的按鈕控制了小顎的張合,按鈕按下時,小顎向前張開,鉛芯前進,按鈕放開時小顎收緊,“鉛芯護圈”(在筆尖裡的一個小橡皮圈)能保持鉛芯的位置,使其不至於向外滑落或者隨著小顎的夾緊滑向筆桿內。另一種設計是用緊密配合的金屬環來導引及支援筆芯,不需要容納橡皮擦的位置。  在一種基於棘輪的鉛筆中,前後搖動會使其鉛筆內部的重物操縱蓋子上的裝置。這種鉛筆可能會在頂部或側面有一個按鈕,來讓使用者在需要的時候使鉛芯前進。另一種鉛筆能自動向前推進鉛芯,這種設計使用棘齒推進鉛芯,但只是用很小的摩擦力阻止其滑落或者退回到鉛筆裡面。筆尖是一種彈簧扣,鉛芯磨損時變短,減小了彈簧的壓力,從而使鉛芯自動推出。  一種先進的棘輪型鉛筆擁有一個機械裝置,能夠在鉛筆芯接觸紙面時將其旋轉特定角度,利用平均耗損,使筆芯與紙面的接觸面積只有普通自動鉛筆的一半,這樣寫出來的字便具有統一的黑度。這種鉛筆名叫“筆芯可轉鉛筆”(英語:Kuru Toga),是由三菱鉛筆有限公司研發出來的。三菱鉛筆還在2004年推出了a-gel(alpha-gel)自動鉛筆。

  儘管名稱叫做“鉛”,鉛筆鉛不包含有毒的化學元素鉛,而通常用的是石墨和粘土,或塑料聚合物。相比於傳統鉛筆,自動鉛筆型別範圍較窄,同時也存在諸多變種。多數自動鉛筆可重新裝填,也有一些便宜的型別用完後可以丟掉。

  自動鉛筆的結構一般只能使用一種直徑的鉛芯,也有一些如Pentel Function 357,其內建的多種結構允許使用多種直徑的鉛芯,如:0.3mm、0.5mm和0.7mm。1.00 mm的鉛芯也存在,但它們是非常罕見的。(見下表)  下表列出了不同的鉛芯直徑,以滿足多樣的喜好和製作,最常用的是0.5mm和0.7mm,其線寬適用於精確的書寫和繪畫,0.05mm,0.1mm和0.2mm則較為罕見。  使用亞毫米鉛芯的鉛筆能同時容納多跟鉛芯,以減少重新裝填的次數。一個例外是Pentel 350E,這可能是Pentel的第一款自動鉛筆, 它只能容納一根0.5mm的鉛芯,當需要時可以從一根小管子中把新的鉛芯填入筆桿。

  與傳統鉛筆相同,自動鉛筆的鉛芯根據使用者的不同需求,對石墨和粘土的配比進行控制,從而做出不同黑度和硬度的鉛芯。常用的鉛筆的鉛芯其密度和傳統HB (US #2)的筆芯相同,但粗細不同。

  自動鉛筆彩色鉛芯卻較為少見,Crayola的“Twistable”系列包含兩種彩色鉛筆(可擦除的和不可擦除的),其中含有機械推進結構,卻不提供替換的鉛芯。一些美國以外的公司如Pentel、Pilot和uni-ball為他們的產品在小範圍的直徑(0.5mm、0.7mm和2mm)製造了彩色可重新裝填的筆芯。Koh-i-Noor則在2.0、3.15和5.6mm上做出了彩色可充填的自動鉛筆。
自動鉛筆(英語:Mechanical pencil,英語:propelling pencil),又稱自動筆或活動鉛筆,是一種固體顏料芯可更換並且可以機械伸縮的鉛筆。鉛筆芯與外殼不是固定相連的,通常由石墨構成,當它的前端磨損的的時候,可以向外延長。