Encontré la causa raíz por la que mi búsqueda no usó la clave de fragmentación. Se trata de la colación.
La clave de fragmentación siempre usa collation : { locale : "simple" } para hacer una comparación binaria, mientras que en mi caso mi colección e índices están diseñados para usar "collation" : { "locale" : "en_US", "strength" : 2 } .
Después de rediseñar mi colección sin colación, ahora todo está bien.
