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JP2017086686A - 洗濯機 - Google Patents

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Yoshinari Shimada
吉成 嶌田
一志 森
Kazushi Mori
一志 森
崇博 仲島
Takahiro Nakajima
崇博 仲島
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Samsung Electronics Co Ltd
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Abstract

【課題】プーリの重量増加を回避しながらその剛性を向上させることにより、共振に起因する過大な騒音が低減できるようにする。
【解決手段】ドラム9が水槽5の内部に回転可能に収容されている洗濯機1である。ドラム9に固定されたプーリ20を無端ベルト13を介して回転駆動するモータ11を備える。プーリ20は、ボス22から放射状に延びて外輪21を支持する複数のアーム23を有している。アーム23に、軸方向への曲げに対する断面係数がボス22から外輪21に向かって徐々に小さくなる除変部24が設けられている。
【選択図】図4

Description

本発明は、ドラムに直付けされているプーリに起因して発生する騒音や振動を抑制する技術に関する。
ドラムに直付けされているプーリで、中央のボスから放射状に延びる複数のアームで外輪を支持する形状のプーリは、例えば、特許文献1に開示されている。ただし、そのプーリのアームは、軸方向の厚みが一定の帯板形状をしている。
また、洗濯機の振動や騒音を防止するプーリは、特許文献2に開示されている。ただし、そのプーリは、中央に軸孔を有する円板状の内側プーリと、その周囲に配置された環板状の外側プーリと、これら内側プーリ及び外側プーリの間の隙間に挿入されるゴム等の吸振部材とで構成されていて、プーリに伝わる振動を吸振部材によって減衰、吸収するようにしている。
欧州特許出願公開明細書(EP0823503A2) 特開平11−114282号公報
多くの洗濯機には、外周面に多数の通水孔を有するドラムが水槽の内部に回転可能に収容されている。洗濯時や濯ぎ時のドラムは低速で回転制御されるが、多量の水が溜まっているため、高トルクで駆動する必要があり、脱水時のドラムは、排水されているため、低トルクで駆動できるが、遠心力を利用するため、高速回転で駆動する必要がある。
すなわち、ドラムを回転駆動するモータは、低速高トルクから高速低トルクに至る特有の出力性能が求められる。そのため、このような特有の条件で適切に回転駆動するためには、ドラムの軸部を、動力源であるモータの駆動軸と、大きな変速比で連結する必要があるが、近年では、複雑な変速機構を介さずにドラムを直接駆動するダイレクトドライブ形式が一般的になってきている。
そのような洗濯機のうち、ドラムの軸部にプーリを固定し、そのプーリを無端ベルトを介してモータで回転駆動するタイプでは、高トルクを確保する必要性から外径の大きなプーリが使用される。その結果、脱水時には、モータは高速で回転制御されることとなる。
モータで発生する振動は、無端ベルトを介して、プーリやドラム、更には洗濯機の筐体に伝わるため、モータが高速回転する脱水時には、モータの振動によって比較的大きな騒音が発生する。このとき、上述したようなプーリの場合、その共振周波数が、脱水時のモータの回転周波数に近い値となるために、プーリに伝播する振動の振幅が増幅されてしまい、騒音が増加するという問題がある。
特許文献2のプーリのように、プーリに吸振部材を組み込めば、ドラムに伝わる振動を低減できるが、別途、吸振部材を組み込めば、部材コストの増加や、プーリの強度及び耐久性の低下など、新たな問題が発生する。
プーリに吸振部材を組み込まなくても、プーリの剛性を高めて、共振周波数が脱水時のモータの回転周波数から大きく離れるようにすれば、騒音の増加を抑制できる。
しかし、剛性を高めるために、アームの幅を大きくしたりアームの厚みを大きくすると、プーリの重量が増加し、部材コストの増加を招くことになるので、その利点が損なわれることになる。
そこで、本発明の目的は、プーリの重量増加を回避しながらその剛性を向上させることにより、共振に起因する過大な騒音が低減できる洗濯機を提供することにある。
本発明は、ドラムが水槽の内部に回転可能に収容されている洗濯機に関する。
前記洗濯機は、前記ドラムの軸部に取り付けられたプーリと、無端ベルトを介して前記プーリを回転駆動するモータとを備える。前記プーリは、外周に前記無端ベルトが架けられる円環状の外輪と、前記外輪の中心に位置して前記軸部が固定されるボスと、前記ボスから放射状に延びて前記外輪を支持する複数のアームと、を有している。そして、前記アームの少なくとも前記外輪に隣接する部位に、軸方向への曲げに対する断面係数が前記ボスから前記外輪に向かって徐々に小さくなる除変部が設けられている。
すなわち、この洗濯機は、ベルト駆動方式であり、ドラムのプーリは、無端ベルトを介してモータによって回転駆動される。無端ベルトが架けられるプーリの外輪は、ボスから放射状に延びる複数のアームで支持されていて、これらアームの外輪側の部位に、軸方向への曲げに対する断面係数がボスから外輪に向かって徐々に小さくなる除変部が設けられている。
このような形状のプーリの場合、外輪及びその周辺部で高い剛性が得られ、それを複数のアームで支持する構造となっているため、1次共振は、外輪はその形状を保った状態で、各アームが軸方向に撓むように変形する状態となる場合が多い。この場合、各アームのボス側の部位に相対的に高い曲げ応力が作用する。
それに対し、アームの構造について要素解析法(FEM)による解析を行ったところ、アームの外輪側の部位に除変部を設けることで、例えばアームの重量が同じ場合でも、アーム全体の軸方向の剛性を向上させることが可能であることを見出した。従って、各アームに除変部を設けることで、プーリの重量増加を抑制しながらアームの変形を効率的に抑制でき、1次共振モードでの共振周波数を高めることが可能になる。その結果、プーリの重量増加を抑制しながら、モータなどの加振源の周波数から1次共振周波数を遠ざけた設計が可能となり、プーリの振動に起因する騒音が低減され、ユーザが快適に洗濯機を使用できるようになる。
例えば、前記除変部における外輪側端部の高さがボス側端部の高さの30%以上70%以下になるように、前記アームの軸方向の高さを徐々に小さくすることによって前記断面係数を設定することができる。
そうすれば、効果的にアームの曲げ剛性の強化が図れるので、共振に起因する騒音の増加がより安定して抑制できる。
その場合、前記アームにおける前記ボス側端部と前記ボスとの間の部位に、前記断面係数が一様な等断面部を設け、前記軸部の中心から前記ボス側端部までの長さが、当該軸部の中心から前記外輪の外縁までの長さの80%以下になるように設定してもよい。
そうすれば、より高い曲げ剛性が求められるアームのボス側の部位を、より曲がり難くできるので、よりいっそう効果的にアームの曲げ剛性の強化が図れる。
また、前記除変部における外輪側端部の肉厚がボス側端部の肉厚の30%以上50%以下になるように、前記アームの肉厚を徐々に小さくすることによって前記断面係数を設定することもできる。
この場合でも、軸方向の高さを変えるのと同様に、アームの曲げ剛性の強化が図れるので、共振に起因する騒音の増加を安定して抑制できる。
特に、前記アームが軸方向の一方が開口するU形状の横断面を有しているようにするのが好ましい。
そうすれば、プーリがアルミダイキャストや樹脂の射出成形などによる一体成形品である場合に、成形後に金型から容易に抜き出せるため、生産性の向上が図れる。そして、横断面をU形状とすることで、軽量化が図れ、断面係数が大きくなるため、構造的に剛性の強化が図れる。
前記プーリの共振周波数は、脱水時における前記モータの回転周波数帯の上限値より大きくなるように設定すればよい。
そうすれば、プーリの共振周波数が、モータの回転周波数から離れた値となるため、共振に起因する騒音の増加を抑制できる。
本発明の洗濯機によれば、プーリの重量増加を抑制しながらその剛性を向上させることができ、共振に起因する過大な騒音を低減できる
本実施形態の洗濯機の内部構造を示す概略縦断面図である。 洗濯機の内部構造を後方から見た概略図である。 ドラムプーリを下方から見た概略図である。 図3AのX−X線における概略断面図である。 アームの部分を示す概略斜視図である。 ドラムプーリの1次共振を説明するための図である。 アームの変形例を示す概略斜視図である。 アームの構造解析で用いたモデル(参考例)を示す概略図である。 アームの構造解析で用いたモデル(実施例)を示す概略図である。 ハンマリング試験の試験結果を示すグラフである。実線が実施例を、破線が参考例をそれぞれ表している。 実施例(実線)及び参考例(破線)で騒音の大きさ(PWL)を比較した結果を示すグラフである。 除変部の割合と剛性との関係を示すグラフである。 除変部の高さの変化量と剛性との関係を示すグラフである。 除変部の肉厚の変化量と剛性との関係を示すグラフである。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。ただし、以下の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物あるいはその用途を制限するものではない。
図1及び図2に、本発明を適用した洗濯機1を示す。この洗濯機1は、横型ドラム式の全自動洗濯機であり、ドラム9に洗濯物を投入し、ボタン等を操作して洗濯機1に指示を与えるだけで、洗濯から濯ぎ、脱水に至る一連の処理が自動的に行えるように構成されている。
箱形状をした洗濯機1の筐体2の前面には、扉3を開閉して洗濯物を出し入れする投入口4が設けられている。筐体2の内部には、有底円筒形状をした水槽5が横向きに設置されている。詳しくは、開口部を前方に向けた状態で、その中心線Cが前後方向に延びるように、水槽5が筐体2の内部に設置されている。その開口部は、柔軟な連結部材6を介して投入口4と連結されている。
水槽5は、筐体2によって上下の方向から弾性的に支持されている。具体的には、水槽5は、筐体2の内側上部に設けられた複数のコイルバネ7で吊り下げられるとともに、筐体2の内側下部に設けられた複数のダンパー8で支持されている。そして、水槽5の内部には、水槽5よりもひとまわり小さいサイズの有底円筒形状をしたドラム9が収容されている。
ドラム9の周壁部には、多数の通水孔9aが形成されていて、脱水時には、これら通水孔9aを通じてドラム9の外に排水されるようになっている。また、周壁部の内面の複数カ所には、洗濯時や濯ぎ時にドラム9が回転することによって、その内部に収容されている水や洗濯物を撹拌する撹拌突起9bが形成されている。ドラム9は、水槽5と同様に、開口部を前方に向けた状態で、その中心が水槽5の中心線Cと一致するように、水槽5の内部に設置されており、中心線Cを軸に回転可能に構成されている。
詳しくは、ドラム9の底壁部の外面中央には、中心線Cに沿って突出する軸部9cが設けられており、その軸部9cが、水槽5の底壁部の中央に設置された軸受部10に回転自在に支持されている。軸部9cの突端部分は水槽5の外側に突出しており、その突端部分に、外輪21やボス22、6本のアーム23等で構成されたプーリ(ドラムプーリ20ともいう)が一体に取り付けられている。すなわち、ドラムプーリ20はドラム9に直付けされており、ドラム9及びドラムプーリ20が同じ回転数で回転するようになっている。なお、アーム23の本数は一例であり、3本や7本等、ドラムプーリ20の設計に応じて適宜選択できる。
水槽5の下部には、中心線Cと平行になるように駆動軸11aが位置決めされた状態で、モータ11が組み付けられている。モータ11の駆動軸11aは、水槽5の底壁部よりも後方に突出しており、その突端部分に小径の駆動プーリ12が固定されている。この駆動プーリ12とドラムプーリ20とに、引っ張った状態で無端ベルト13が架け渡されていて、ドラム9及びドラムプーリ20は、モータ11により、無端ベルト13を介して回転駆動される。
ドラム9は、洗濯時や濯ぎ時には、低速で回転されるが、遠心力を利用する脱水時には、高速で回転させる必要がある。そのため、脱水時のモータ11は、200Hz(12000RPM)〜300Hz(18000RPM)の範囲の回転周波数帯で制御できるように設定されており、この洗濯機1の場合、脱水時のモータ11は約255Hzで回転するように設定されている。
プーリ減速式のベルト駆動形式の場合、洗濯や濯ぎ時に必要とされる高トルクを確保するために、ドラムプーリ20の外径は、比較的大きなものとなっている。そのため、軽量化と高剛性の両立を考慮し、ドラムプーリ20には、複数のアーム23で外輪21を支持する形状のプーリが使用されている。
図3A及び図3Bに、ドラムプーリ20の詳細を示す。ドラムプーリ20は、アルミダイキャストや樹脂の射出成形などによる一体成形品である。外輪21は、細長い帯状の板を丸めたような円環状の部分であり、その軸方向の幅Wpは15〜40mmの範囲で設定され、その外径Rpは200〜450mm範囲で設定されている。本実施形態のドラムプーリ20の場合、前者Wpは21mm、後者Rpは297mmに設定されている。外輪21の外周面は、平坦面となっており、そこに密着するように無端ベルト13が架けられる。
ボス22は、外輪21の中心に位置する円柱状の部分であり、その中央には、セレーション加工やDカットが施された軸孔22aが形成されている。軸孔22aに挿入することで、軸部9cの突端部分がボス22に固定されて一体化する。ボス22の外径Rbは30〜100mmの範囲で設定され、ボス22の軸方向の高さHbは15〜50mmの範囲で設定されている。本実施形態のドラムプーリ20の場合、前者Rbは34mm、後者Hbは20mmに設定されている。
アーム23は、ボス22の外周面から放射状に延びて、その先端が外輪21の内周面と一体に連結されている。各アーム23は、U形状の横断面を有する細長い形状をしており、軸方向の一方に、アーム23に沿って開口する長溝23aを有している。このように、各アーム23の横断面を、その軸方向の一方が、末拡がりに開口した形状とすることで、成形後に金型から容易に抜き出せるため、生産性の向上が図れる。そして、横断面をU形状とすることで、軽量化が図れるし、断面係数が大きくなるため、構造的に剛性の強化が図れる。
更に、このドラムプーリ20では、重量の増加を抑制しながら、共振に起因する過大な騒音を低減するために、各アーム23の形状が工夫されている。
すなわち、図4に示すように、各アーム23の外輪21に隣接する部位に、軸方向への曲げに対する断面係数がボス22から外輪21に向かって徐々に小さくなる除変部24が設けられている。特に本実施形態の場合、幅Wa、横断面の形状、及び肉厚tは、アーム23の全体で略一定とされ、軸方向の高さHaのみを徐々に小さくすることによって除変部24の断面係数が設定されている。
除変部24は、アーム23の全体に設けてもよいが、本実施形態の場合、アーム23の基端側の部位(ボス22に近い部位)に、軸方向の高さHaが略一定で、断面係数も一様な等断面部25が設けられている。各アーム23にこのような除変部24を設けることで、各アーム23の軸方向の曲げ剛性を強化することが可能になり、重量の増加を抑制しながら、ドラムプーリ20の共振周波数を高くできる。
すなわち、ドラムプーリ20では、外輪21及びその周辺部で高い剛性が得られ、それを複数のアーム23で支持する構造となっていることから、共振(1次共振)する時には、図5に示すように、外輪21はその形状を保った状態で、各アーム23が軸方向に撓むように変形する状態(1次共振モード)となる場合が多い。
この場合、各アーム23のボス22の側の部分に相対的に強い曲げ応力が作用するため、その部分の軸方向への曲げに対する剛性を相対的に強化することで、アーム23の変形が効率的に抑制され、1次共振モードでの共振周波数を高めることが可能になる。そして、各アーム23の外輪21の側の部分に除変部24を設けることにより、重量の増加を抑制しながら、各アーム23の軸方向の曲げ剛性を強化することができる(詳細は後述)。
この洗濯機1の場合、脱水時のモータ11の回転周波数の上限値は、300Hzであることから、ドラムプーリ20の1次共振周波数は、300Hzより大きくなるように設定されている。その結果、ドラムプーリ20の1次共振周波数が脱水時のモータ11の回転周波数から大きく離れることとなり、共振に起因する騒音の増加が抑制されている。
(アームの変形例)
除変部24では、軸方向への曲げに対する断面係数がボス22から外輪21に向かって徐々に小さくなっていればよいため、その横断面は、U形状に限らない。例えば、I形状やT形状、四角枠形状、環形状等であってもよい。
また、図6に示すように、高さ、幅、横断面の形状は、アーム23の全体で略一定とし、肉厚tのみを徐々に小さくすることにより、除変部24の断面係数を設定することもできる(to<ti)。高さ及び肉厚の双方を徐々に小さくして除変部24の断面係数を設定してもよい。
(実施例1)
ドラムプーリ20を設計する際に、アーム23の構造について要素解析法(FEM)による解析を行った。図7A及び図7Bに、その解析で用いたモデルを示す。図7Aは、従来のモデルであり(参考例モデルM1)、図7Bが、本発明を適用したモデルである(実施例モデルM2)。
参考例モデルM1は、アーム23の基端(ボス22との連結部分)から先端(外輪21との連結部分)まで同一の横断面を有する形状とし、実施例モデルM2は、アーム23の基端側に等断面部25を、先端側に除変部24を、それぞれ有する形状とした。等断面部25と除変部24との境界部位は、アーム23の基端から30mmとした。
解析では、1次共振モードを想定し、アーム23の基端を固定した状態で、アーム23の先端に、矢印で示すように100Nの荷重(静荷重)を加えた。参考例モデルM1及び実施例モデルM2の双方において、重量(21g)、最大幅(17mm)、及び長さ(100mm)は同じ値とし、その条件の下で、アーム23の先端の変位量が最小となる最適状態を求め、その場合での両モデルの変位量を比較した。
最適状態の実施例モデルM2では、アーム23の先端の高さが、参考例モデルM1よりも低くなり、軸方向への曲げに対する断面係数は小さくなったが、等断面部25の高さ及び除変部24のボス22側に位置する端部(ボス側端部24a)の高さは、参考例モデルM1よりも高くなり、軸方向への曲げに対する断面係数は高くなった。
最適状態では、参考例モデルM1の変位量に対して実施例モデルM2の変位量は約50%まで減少し、重量増加を伴う形状変更を行わなくても、軸方向の剛性が強化できることが確認された。
最適状態の参考例モデルM1及び実施例モデルM2に基づいて試作した同一重量の2つのプーリ(参考例プーリ及び実施例プーリ)を用いてハンマリング試験を行い、これら両者の共振周波数を比較した。図8に、その試験結果を示す。
図8中、実線が実施例プーリを示し、破線が参考例プーリを示している。振動は軸方向の前後方向成分を検出した。図8に矢印で示すように、参考例プーリの1次共振周波数は234Hzであったのに対し、実施例プーリの1次共振周波数は329Hzであり、参考例プーリに比べて、実施例プーリの1次共振周波数が大幅に増加したことがわかる。
参考例プーリの1次共振周波数は、脱水時のモータ11の回転周波数帯にあり、モータ11の回転周波数(約255Hz)に近い値となっているが、実施例プーリの1次共振周波数は、脱水時のモータ11の回転周波数帯から外れ、モータ11の回転周波数から大きく離れた値となっているため、共振に起因する騒音の増加が抑制できる。
図9に、モータ11の回転周波数の周辺における騒音の大きさ(PWL)を比較した結果を示す。破線が参考例プーリを示し、実線が実施例プーリを示している。モータ11の回転周波数の周辺のPWLを見たとき、参考例モデルM1に対して実施例プーリのPWLは全体的に低下しており、実施例プーリで共振に起因する騒音が低減されていることがわかる。機体騒音試験では、実施例プーリに0.5dBA程度の騒音低減効果が得られることが確認された。
(実施例2)
実施例モデルM2の解析時に、アーム23における除変部24の割合と剛性との関係について調べた。具体的には、重量、最大幅、及び長さは実施例1と同じとし、図3Aに示すように、中心Cから外輪21の外縁までの長さLoに対して、中心Cから除変部24におけるボス22の側に位置する端部(ボス側端部24a)までの長さLiの割合Li/Lo(%)を変え、それぞれの割合Li/Loでのアーム23の先端の変位量が最小となる最適状態を求めた。その結果を図10に示す。なお、縦軸はその変位量の低減率(参考例モデルM1に対する%)を表している。
割合Li/Loが小さい(等断面部25が短く除変部24が長い)ほど、変位量の低減効果が認められ、割合Li/Loが大きくなるにつれて変位量の低減効果は逓減し、割合Li/Loが90%になると低減効果は認められなくなった。この結果より、少なくとも割合Li/Loが80%以下になるように設定することで、安定した変位量の低減効果が得られ、共振に起因する騒音の増加が抑制できることがわかる。
(実施例3)
更に、除変部24の高さの変化量が剛性に与える影響についても調べた。実施例2と同じ条件の下で、除変部24の割合Li/Lo別(30%、50%、70%)に、図7Bに示すように、除変部24におけるボス側端部24aの高さHiに対して、外輪21の側に位置する端部(外輪側端部24b)の高さHoの割合Ho/Hiを30%以上で変え、それぞれの割合Ho/Hiでのアーム23の先端の変位量が最小となる最適状態を求めた。その結果を図11に示す。なお、実施例2と同様に、縦軸はその変位量の低減率(参考例モデルM1に対する%)を表している。
割合Ho/Hiが小さい(高さの変化量が大きい)ほど、変位量の低減効果が認められ、割合Ho/Hiが大きくなるにつれて変位量の低減効果は逓減した。その結果より、少なくとも割合Ho/Hiが30%以上70%以下になるように設定することで、除変部24の割合Li/Loが80%であったとしても、安定した変位量の低減効果が得られ、共振に起因する騒音の増加が抑制できることがわかる。
(実施例4)
図6に示したような、肉厚を徐々に小さくすることによって除変部24の断面係数を設定した場合の効果についても調べた。アーム23の重量、最大幅、及び長さは実施例1と同じとし、本解析では、等断面部25は設けず、アーム23の全体が除変部24となるように、横断面の肉厚が均等に変化し、アーム23の基端から先端にわたって徐々に肉厚が小さくなるように設定した。アーム23(除変部24)のボス側端部24aの肉厚tiに対して、外輪側端部24bの肉厚toの割合to/tiを30%以上で変え、それぞれの割合to/tiでのアーム23の先端の変位量が最小となる最適状態を求めた。その結果を図12に示す。なお、縦軸はその変位量の低減率(参考例モデルM1に対する%)を表している。
割合to/tiが小さい(肉厚の変化量が大きい)ほど、変位量の低減効果が認められ、割合to/tiが大きくなるにつれて変位量の低減効果は減少した。この結果より、少なくとも割合to/tiが30%以上50%以下になるように設定することで、安定した変位量の低減効果が得られ、共振に起因する騒音の増加が抑制できることがわかる。
1 洗濯機
2 筐体
4 投入口
5 水槽
7 コイルバネ
8 ダンパー
9 ドラム
9c 軸部
10 軸受部
11 モータ
12 駆動プーリ
13 無端ベルト
20 ドラムプーリ
21 外輪
22 ボス
23 アーム
24 除変部
24a ボス側端部
24b 外輪側端部
25 等断面部
C 中心線

Claims (6)

  1. ドラムが水槽の内部に回転可能に収容されている洗濯機であって、
    前記ドラムの軸部に取り付けられたプーリと、
    無端ベルトを介して前記プーリを回転駆動するモータと、
    を備え、
    前記プーリは、
    外周に前記無端ベルトが架けられる円環状の外輪と、
    前記外輪の中心に位置して前記軸部が固定されるボスと、
    前記ボスから放射状に延びて前記外輪を支持する複数のアームと、
    を有し、
    前記アームの少なくとも前記外輪に隣接する部位に、軸方向への曲げに対する断面係数が前記ボスから前記外輪に向かって徐々に小さくなる除変部が設けられている洗濯機。
  2. 請求項1に記載の洗濯機において、
    前記除変部における外輪側端部の高さがボス側端部の高さの30%以上70%以下になるように、前記アームの軸方向の高さを徐々に小さくすることによって前記断面係数が設定されている洗濯機。
  3. 請求項2に記載の洗濯機において、
    前記アームにおける前記ボス側端部と前記ボスとの間の部位に、前記断面係数が一様な等断面部が設けられ、
    前記軸部の中心から前記ボス側端部までの長さが、当該軸部の中心から前記外輪の外縁までの長さの80%以下になるように設定されている洗濯機。
  4. 請求項1に記載の洗濯機において、
    前記除変部における外輪側端部の肉厚がボス側端部の肉厚の30%以上50%以下になるように、前記アームの肉厚を徐々に小さくすることによって前記断面係数が設定されている洗濯機。
  5. 請求項1〜請求項4のいずれか1つに記載の洗濯機において、
    前記アームが、軸方向の一方が開口するU形状の横断面を有している洗濯機。
  6. 請求項1〜請求項5のいずれか1つに記載の洗濯機において、
    前記プーリの共振周波数が、脱水時における前記モータの回転周波数帯の上限値より大きくなるように設定されている洗濯機。
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