“摩磨擦”笔成功的背后<br/>——对日本百乐公司“可逆热变色”系列专利的分析

“摩磨擦”笔成功的背后
——对日本百乐公司“可逆热变色”系列专利的分析

2020-10-16姚鹤忠

中国制笔 2020年3期

姚鹤忠

（上海制笔技术服务有限公司上海 201612）

在知识经济背景下，全球日益激烈的科技话语权和产业控制权的竞争都包含专利的竞争。专利的生产力、持有量、对专利的经营能力、专利竞争力以及盈利能力，在国家、区域、产业以及企业的竞争实力中占据越来越重要的地位。

这些年来，日本百乐公司研发的“摩磨擦”笔无疑是很成功的，据nippon.com“走进日本”2017年1月报导，百乐文具“摩磨擦”笔系列全球累计销量突破15亿支[1]。在成功的背后，是数十年的研发投入，数十年的坚持不懈。本文试图以专利视角来对“可逆热变色”系列产品研发的全过程进行梳理与分析，以期得到一些可以学习借鉴的东西。

一、发展由来

据说“可逆热变色”墨水的问世，源于百乐公司一位研究人员的灵感。他看到一夜变红的枫叶，便产生了“想在烧杯中再现这种魔法般的变化”的念头。从1973年申请第一个“热致变色材料”专利开始，至今百乐公司已先后申请了数百项相关专利，其中在日本本国申请的专利数量已超过280项（见图1）。

从图1可以看到，自1973年申请第一个“热致变色材料”专利以后，经历了漫长时间的蛰伏，到2007年才迎来第一个高潮，紧接着2010年又爆发了新的高潮，2013年更是达到了顶峰，这些年开始减缓下降，而“可逆热变色”系列产品的销量则持续上升。

图1 百乐公司本国申请“摩磨擦”系列专利数量分布

二、研发历程

在众多的专利中，通过分析梳理主要专利的内容及其申请的时间，大致可以勾勒出研发过程的脉络，其技术发展路线（见图2）大致可以分为以下四个阶段：

1.探索方向（1973～1993）

最早的热致变色材料的变色温度范围很小，需要的温度亦较高，并且着色剂的颗粒较大，开始只能在记录媒体和印刷等方面尝试，例如，采用热致变色材料印刷在杯子上，倒入热水或者冷水时，杯子上的图案和颜色会发生不同的变化。热致变色材料还可以用于开发热变色玩具、热变色薄膜、热变色玻璃等。但是，百乐公司毕竟是一个文具制造企业，无论如何一定要能够用在文具上，尤其是笔上面。因此，他们坚持不懈地探索热致变色材料在文具，特别是笔上面的应用，寻找到发展的方向。

2.确定目标（1993～2002）

以1993年申请的第一个“热变色性笔记具”专利为标志，百乐公司正式进入了“摩磨擦”笔的研发阶段。要让“可逆热变色”墨水在圆珠笔笔头或者记号笔的纤维笔头的间隙中流动，其着色剂的微胶囊颗粒必须要小，开始时微胶囊颗粒直径都在10μm以上，根本无法在笔中使用，因此，该专利要求“粒子直径10μm以下，更优选5μm以下，最优选3μm以下”[2]。2002年百乐公司成功地将微胶囊颗粒直径缩小至2～3μm，同时申请了“摩擦体及び筆記具”专利，提出了由硅酮橡胶构成的摩擦体，要求材料在25℃～65℃的范围内具有最大高温侧变色点[3]，为“摩磨擦”笔的问世奠定了基础。

图2 “可逆热变色”系列专利技术发展路线

3.改进完善（2002～2010）

“可逆热变色”墨水的变色温度是比较关键的，早期“可逆热变色”墨水的变色温度范围比较小（见图3），即使在常温条件下亦可能会自动产生变色的现象；2005年成功将变色温度范围扩大到-20℃～65℃之间（见图4），“完全脱色温度（t4）在45℃以上，优选为50℃以上，且开始显色温度（t2）在0℃以下，优选在-5℃以下”[4]。这样既不会在常温条件下自动产生变色的现象，又能够采用摩擦体通过摩擦产生热量，使得原来有颜色的线迹变成其他颜色，或者变为无色就会比较容易一些。

图3 变色温度范围小

图4变色温度范围大

作为书写墨水，“可逆热变色”墨水的书写性能和长期稳定性同样重要，微胶囊颗粒直径相对较大，在水性墨水体系中如何保持均匀分散的稳定状态是有较大难度的。因此，“可逆热变色”墨水最先成功的产品是凝胶状墨水（gel ink），通过添加剪切减黏性赋予剂，能够抑制微胶囊颜料的凝集、沉淀，并且能够抑制笔迹的渗透，不仅是纸面，即使书写渗透性高的布帛等纤维材料也不会渗透笔迹，可以形成良好的笔迹[5]。

2006年“摩磨擦”笔开始上市销售，早期的“摩磨擦”笔书写性能还是存在一些问题的，线迹颜色偏淡，存放时间稍长一些就容易出现初写性能不良，严重的甚至写不出了。经过不断的改进提升，这些问题都得到了逐步改进与完善。

4.爆发增长（2010～2020）

进入2010年后开始了爆发性增长，具体表现在专利申请量大幅度增加，专利所涉及的产品种类明显增加，几乎延伸到所有笔类产品，还扩展到可擦油画棒、可擦橡皮、可擦印章等相关产品，开始呈现比较清晰的专利布局；同时，“可逆热变色”系列产品的队伍不断扩大，不仅有“摩磨擦”的中性墨水圆珠笔，还有水性的记号笔；不仅有插套式“摩磨擦”笔，还有按动式“摩磨擦”笔、多色按动式“摩磨擦”笔；不仅有常规的黑蓝红颜色，还有色彩缤纷的彩色墨水。“可逆热变色”系列产品市场销量快速增长，其中中国市场开始成为新的、最主要的增长点之一。

三、核心专利分析

在“可逆热变色”系列专利中，构成其核心专利内容的有以下三个方面：

1.“可逆热变色”墨水配方

“可逆热变色”墨水的着色剂采用微胶囊包覆技术制成，微胶囊中包含成色剂、显色剂、变色温度调节剂三种成分，并按照一定比例混合之后装入微胶囊中（见图5）。微胶囊包覆技术有界面聚合法、界面缩合法、循环聚合法、液中硬化涂覆法、水溶液的相分离法、喷雾喷涂法等，特别适用界面聚合法、嵌入式聚合法。

图5 “摩磨擦”墨水变色原理示意图

成色剂在单体情况下是不会呈现颜色的，要呈现颜色必须与显色剂进行化学反应，并且由变色温度调节剂来控制温度与颜色的关系，即温度升高到什么程度，颜色消失；温度下降什么程度，颜色显现。通过选择不同种类的变色温度调节剂，就可以决定“可逆热变色”墨水的变色温度。作为日常用品，“摩磨擦”笔书写的字迹应该在一年四季的正常温度条件下不会自动变色，需要超过日常温度的条件下才会变色。百乐公司经过长期的研发和不断完善，“可逆热变色”墨水的变色温度基本为-20℃～65℃。从55℃开始出现消色现象，到65℃完全消色；温度降低到-5℃开始出现显色现象，到-20℃完全显色（见图6）。

图6 “摩磨擦”墨水的变色温度范围

此外，作为书写墨水，无论是用于圆珠笔还是记号笔，其书写性能必须得到保证。“可逆热变色”墨水中的微胶囊粒径大小很重要，粒径大于5μm就很难在笔头的间隙中自由流动，容易堵塞细小的间隙；而粒径小于0.5μm则难以显示高浓度的发色性。“可逆热变色”墨水的研发方向包括圆珠笔和记号笔等，重点是圆珠笔，特别是采用凝胶墨水的圆珠笔。特開2003-206432专利提出了剪切减黏类可逆热变色性墨水，通过EMD型黏度计在25℃下测量所述墨水的黏度，结果显示测定转速为1 rpm时表观黏度为1020mPa·s；转速为100rpm时表观黏度为84mPa·s，剪切减黏度指数n为0.48[6]。

2.摩擦体

“摩磨擦”笔依靠摩擦产生热量的原理来消色，理论上所有具有一定硬度且表面光滑的物体都可以在纸面上摩擦产生热量，只不过产生热量的效率不同，对纸张表面的影响大小不同而已。考虑到使用“摩磨擦”笔的男女老幼都有，应该采用最适合的材料来制作摩擦体，让摩擦生热消色更容易更方便。

百乐公司开始选择了硅酮橡胶，硅酮橡胶不仅热的产生效率好，摩擦阻力小，而且自身不容易被磨损，摩擦过程中产生的碎屑量相对较少，所以不需要多次摩擦而容易使“摩磨擦”笔所写字迹变色[7]。但是，硅酮橡胶在摩擦过程中还是会有少量碎屑粘附的纸面上，再次书写时会出现字迹断线的情况。因此，更优选的材料是SEBS树脂（苯乙烯－乙烯－丁二烯－苯乙烯嵌段共聚物），采用这种材料制作的摩擦体在摩擦过程中生热效率更佳，几乎不会产生碎屑，自身基本没有什么磨损。

除了材料之外，摩擦体的硬度、表面状况以及形状等同样重要，特别是外形圆弧半径R的大小设计，不要接触面积过大，又能恰到好处地覆盖所需要擦除的线迹，达到最好的使用效果（见图7）。

图7 摩擦体在笔套上示意图

3.“摩磨擦”笔

将“可逆热变色”墨水、摩擦体与书写工具组成一体，成为消费者喜爱的“摩磨擦”笔，这是百乐公司追求的目标。他们以“热变色性笔记具”的名称申请了为数众多的专利，将“可逆热变色”墨水和摩擦体运用于各式各样的书写工具，并且最终研发出产品上市销售。

百乐公司最经典一款“摩磨擦”笔是 FRIXION热可擦中性笔，采用可逆热变色凝胶墨水和圆珠笔弹簧笔头，笔头球珠直径有0.4mm、0.5mm、0.7mm等不同规格，插套式结构，摩擦体安装在笔杆的尾部。之后，百乐公司还研发出按动式热可擦中性笔、热可擦荧光笔、多功能热可擦笔等多款“摩磨擦”笔，并且还在研发热可擦彩色铅笔、直液式水性圆珠笔、直液式钢笔等更多的“摩磨擦”笔。

四、专利布局分析

专利布局应当在空间布局、地域布局、时间布局、技术布局等多个维度有所体现，是一个立体的专利网络的概念。好的专利组合（patent portfolio）是指围绕某一特定技术形成的彼此联系、相互配套的技术，经过申请获得授权的专利权集合。从系统论的角度来看，系统的作用在于整体大于部分之和，将该原理延伸到专利领域也是同样适用的[8]。百乐公司的“摩磨擦”系列专利的布局策略既有跟随技术研发水平提升的步伐与节奏，又有前瞻性安排的考虑，归纳起来有以下几个方面：

1.围绕核心技术不断申请新的专利

由于时间跨度大，早期申请的专利随着有效期结束将失效，个别没有价值的专利会自动放弃，少数专利可能会被无效，因此，百乐公司围绕“摩磨擦”笔的核心技术，不断研发新的创新性技术，申请新的专利，使得核心技术始终能得到有效专利的保护。例如表1所示的专利[9，10，11]分别于1993年、2004年和2018年申请，对“可逆热变色”墨水中微胶囊所含材料、消色温度控制，以及摩擦体的变化等提出了新的创新内容。

表1 不同时期专利的创新内容

此外，特開2016-107521专利还提出了“电动旋转式摩擦体”[12]的设想（见图8）。

图8 电动旋转式摩擦体示意图

2.大量密集申请相关的系列专利

百乐公司的“可逆热变色”系列专利采用了大量密集申请的方法，这就是所谓的“地毯式”布局（见图9），让竞争对手难以进入，一旦进入就像进入陷阱阵，稍不留神就会踏入陷阱。

图9 “地毯式”专利布局

3.以基础专利为核心形成专利群

百乐公司“可逆热变色”系列专利的布局可以理解为多个主+卫星式专利布局（见图10），针对多个基础技术点申请多个基础专利，在这些基础专利的周围申请更多的卫星专利。这样就形成了一个强大的专利网，让竞争对手无法从这个专利网中破网而出。例如，不同类型的“摩磨擦”笔，以及摩擦体在笔的不同部位就申请了很多专利，其中比较有代表性的见表2及其图11至图18。

表2 有关摩擦体的代表性专利

图10 主+卫星式专利布局

图11 特開2009-023271

图12 特開2009-107237

图13 特開2009-208313

图14 特開2010-260218

图15 特開2011-037087

图16 特開2011-230439

图17 特開2015-044418

图18 特開2015-051615

4.区域布局

百乐公司“可逆热变色”系列专利在本国申请量是最多的，同时根据市场销售的需要，分别在欧洲、美国、中国、韩国、台湾、香港、新加坡等国家和地区申请了“可逆热变色”系列专利（见图19）。

图19 “可逆热变色”系列专利在其他主要国家和地区申请量分布

中国市场是“可逆热变色”系列产品的重要市场，百乐公司对中国市场非常重视并提前布局，从2007年开始百乐公司在中国申请“可逆热变色”系列专利，2008年“摩磨擦”笔开始进入中国市场，历年申请的“可逆热变色”系列专利累计数量达到37项之多，仅次于日本和美国（见图20）。

图20 “可逆热变色”系列专利历年在中国申请数量

五、成果与效益

百乐公司对“可逆热变色”系列产品的研发投入是巨大的，取得的成果与效益亦是显著的，最具代表性的是“摩磨擦”笔在市场上销售业绩。从2006年开始上市销售，2010年销数量达到了2亿支，2014年累计销数量达到10亿支，2017年累计全球销数量突破15亿支。得益于“可逆热变色”系列产品的成功，百乐公司的年营业额已突破1000亿日元，销售利润率保持在18.5%以上（见图21），进一步拉开了与同行竞争对手的差距。

图21 百乐公司经营情况

专利为专利权人提供有效的竞争手段，随着专利价值的日益提升，专利权人将专利作为竞争武器和牟利工具。通过布置专利陷阱，使竞争对手无法绕过密集布置的专利丛林，或是无意识踏入专利人的专利地理范围，从而使竞争对手构成专利侵权[13]。

在“可逆热变色”系列产品方面，百乐公司通过知识产权诉讼的手段，有效地保护了自身利益，维护了其在市场上的霸主地位。2010年，三菱铅笔公司推出类似产品 FANTHOM 热可擦中性笔，次年百乐公司就三菱铅笔侵犯其专利而提出上诉，要求三菱停止相关生产销售；2017年，三菱铅笔更新技术，推出 R:E 系列新一代热可擦笔，同年，三菱铅笔对百乐公司提起的相关专利无效诉讼被驳回；双方持续多年的专利纠纷最终以和解告终，2018年2月14日双方达成和解[14]。

国内有一家制笔企业由于盲目推出了可逆热变色笔，被百乐公司告上法庭，最终被上海市知识产权法院认定侵犯了百乐多项专利，需要赔偿近百万元人民币[15]。

另外，据北京市东城区人民法院民事判决书（2016）京0101民初5696号，百乐公司诉浙江美嘉达文具有限公司等三被告的著作权权属、侵权纠纷也与“摩磨擦”笔有关，一审判决三被告赔偿原告40万元人民币[16]。